A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的数值分析

不同速度范围内的A3钢钝头弹撞击45钢靶板分别表现为泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效和靶板冲塞穿甲等3种不同的破坏模式,利用LS-DYNA对这种复杂的破坏机理和相应的影响因素进行了数值模拟研究。采用Johnson-Cook强度模型和累积损伤失效模型描述弹靶材料的力学性能,并考虑了塑性变形的绝热温升效应。数值模拟再现了不同破坏模式的失效过程,得到了与实验一致的结果。研究还指出,弹靶的冲塞穿甲实际是在高速撞击下,弹体发生花瓣帽形变形失效后继续穿甲靶板的后续结果。     

碎片对铝合金薄板抗侵彻性能影响数值仿真研究

利用ABAQUS 有限元软件,采用合适材料参数及准则,建立平头弹及碎片撞击2A12-T4铝合金靶板的数值仿真模型。通过改变弹体与碎片之间的相对位置,研究弹体撞击靶板过程中碎片对其抗侵彻特性的影响规律及机理。通过数值仿真计算,分析弹体对靶体的撞击物理过程及失效机制。基于数值仿真计算结果可以发现,碎片对靶体抗侵彻性能受弹体速度以及弹体与碎片之间的相互位置等因素共同作用。对于靶体的抗撞击性能,弹体与碎片之间接触面积存在一个最佳值,接触面积太大或者太小都会减小靶板的损伤面积,从而减少撞击过程中靶板吸收的能量。     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

撞击姿态对构型弹体非正侵彻多层间隔钢靶弹道特性的影响规律

为深入认识构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的弹道偏转规律，结合数值模拟和理论分析，研究了构型弹体在不同撞击姿态下侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，其中引入弹体侧向接触力和侧向偏转力矩等参量，着重分析撞击着角和攻角对弹道特性的影响规律。结果表明：构型弹体非正侵彻过程中，在纵向发生阶梯式速度衰减，但变化较小；同时，由于穿靶过程中受到侧向接触力及其偏转力矩的作用，在侧向产生显著弹道偏转。撞击着角决定弹体所受外载荷的非对称程度，着角越大，弹体偏转越严重；撞击攻角则主要影响弹肩穿靶时的径向速度和弹尾穿靶时的触靶位置，二者共同影响弹道轨迹，因而存在使弹体偏转程度发生转折的临界攻角。相比于侵彻单层靶，构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的显著特点为弹道偏转存在累积效应，且侵彻前一靶板的弹道偏转情况显著影响到侵彻后一靶板时的弹靶作用特征，进而导致弹道偏转与弹靶接触力互相耦合。相关研究对预测构型弹体侵彻多层间隔靶板性能、优化弹体构型和撞击姿态等具有较好的指导价值。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

细长薄壁弹体的屈曲和靶体等效分析

利用金属靶开展动能深侵彻弹的穿甲屈曲实验研究。实验观察到长/短型弹体动塑性屈曲破坏分别表现为轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型2种基本模式。不同的屈曲破坏模式与弹体几何、撞击初条件以及靶材等密切相关。区别于刚性尖头弹穿甲金属靶的韧性隧道开孔,尖头弹因屈曲破坏易变形为钝头形,导致弹体穿透靶板表现为挤凿穿甲。利用薄壁中空柱壳的弹性欧拉屈曲分析和弹体塑性屈服的极限分析给出弹体动塑性屈曲的临界条件。同时给出屈曲实验中混凝土靶和金属靶的等效条件。     

Q235钢板对半球形头弹抗侵彻特性

利用轻气炮进行了半球形头杆弹正撞击单层板和等厚接触式三层板的实验, 得到了这两种结构靶体的初始-剩余速度曲线以及弹道极限。采用ABAQUS/EXPLICIT数值模拟软件对杆弹撞击金属板的过程进行了数值模拟研究, 通过对比数值模拟和实验结果, 验证了数值模拟材料模型和参数的有效性。研究了靶体结构对抗侵彻特性的影响, 并分析了弹体对靶体的撞击过程。研究结果表明:多层板的弹道极限高于等厚单层板。单层板主要失效模式为剪切, 而多层板的主要失效模式为整体的蝶形变形和局部的盘式隆起。对于多层板, 靶板具体的失效模式与其在靶中位置相关。     

93W杆式弹超高速撞击多层Q345钢靶毁伤及微观分析

为了解杆式弹超高速撞击多层薄钢靶的破坏过程及毁伤机理,开展了克级93W杆式弹正撞击多层Q345钢靶实验及数值模拟研究,通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）及金相显微镜,分析了超高速撞击实验后靶板材料的微观组织及成分。结果表明,超高速撞击作用下,靶板呈现出“翻唇”穿孔变形、花瓣状塑性变形、撕裂、撞击成坑及鼓包等破坏模式。靶板前3层毁伤以超高速穿孔为主,孔洞数目多但面积小,后几层靶板毁伤孔洞数目少且孔径呈先增大后减小趋势。微观分析表明靶材在强冲击压力下发生晶粒碎化、熔化及再结晶,撞击过程中会形成微孔聚集与微裂纹,可见靶板失效主要是熔融混合物冷却过程中产生的热应力与切应力下的剪切撕裂综合作用的结果。     

不锈钢-普碳钢的双面爆炸复合

为了解决现行爆炸复合装药方式落后及炸药爆炸的能量利用率极低的问题，使用了一种保证装药质量的蜂窝结构炸药，并将该蜂窝结构炸药应用于一次起爆可复合二块复合板的双面爆炸复合技术。进行了7 mm厚的蜂窝结构炸药用于3 mm厚的不锈钢板和16 mm厚的Q235钢板的双面爆炸复合实验；并计算得到了复板碰撞速度的上下限及2组实验中复板的碰撞速度。由于受到蜂窝材料和双面复板的多向约束，炸药的临界厚度显著降低，乳化炸药在5 mm厚度时仍可以稳定爆轰。研究结果表明:和现行的单面爆炸复合相比，在复合相同数量复合板的情况下，采用蜂窝结构炸药的双面爆炸复合技术中，炸药的使用量节省了77%，炸药的能量利用率得到显著提高；计算与实验结果一致性较好。     

球形弹丸作用下钢/铝爆炸复合靶的抗侵彻性能

采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸对双层钢/铝、3层钢/铝/钢爆炸复合靶进行侵彻实验,借助LS-DYNA3D非线性有限元程序进行数值模拟,应用固连-失效模型反映层间结合,分析了不同组合形式对靶板抗侵彻性能的影响,并对毁伤机理进行初步分析.结果表明:靶板总厚度一定时,3层靶的抗侵彻性能优于双层靶;双层...     

钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究

为考察素混凝土及钢纤维混凝土（钢纤维为平直型与端钩型,体积分数0.01~0.05）抗侵彻贯穿特性,采用12.7 mm弹道炮-测速靶系统开展了初速297~848 m/s的弹道冲击实验,获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度、弹坑直径、靶体（板）破坏形态等实验参数,并利用高速摄影系统记录了靶体（板）的动态破坏过程。实验结果的对比表明,靶板的抗侵彻贯穿性能和破坏模式与钢纤维类型及含量密切相关。当钢纤维体积分数为0.05时,端钩型钢纤维混凝土的侵彻深度与相同强度等级素混凝土相比降低约52%,且贯穿破坏后靶板碎片的数量及飞散角度大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗侵彻贯穿方面的适用性。     

Perforation of steel and polycarbonate plates by tumbling projectiles

An experimental investigation to assess the effect of tumbling by hard-steel, blunt-faced cylindrical projectiles on the impact response of thin 4130 steel and polycarbonate target plates was performed. Deformation and failure phenomena were observed and discussed; comparisons of the results with analytical models and numerical stimulation, described in a previous paper, were also performed for the steel targets. The final velocity of the projectile and the crater length in the target were correlated with the striker impact angle (or yaw angle with a zero oblique angle); reasonable agreement was attained among the experimental, analytical and numerical results. It was found that an increase of the impact angle can increase the velocity drop and the crater length markedly. The increase tends to be stabilized after the impact angle exceeds 50° and the consequences in such a case are almost the same as in side-on impact.     

高速3D-DIC测试技术在装甲钢贯穿试验中的应用

数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关（3D-DIC）技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度（255～568 m/s）冲击不同厚度（5、8和10 mm）高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144 000 s?1的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。     

弹体对钢筋混凝土板-钢板的贯穿计算问题

主要讨论了钢筋混凝土板-钢板中箍筋、纵向钢筋和钢板对弹体贯穿过程的影响。根据钢筋混凝土板-钢板多阶段变形与破坏和能量在时间、空间上的分配差异,提出了钢筋混凝土板-钢板的变形与破坏模型,确定了箍筋和钢板对弹体的阻力公式,并将纵向钢筋网等价为薄钢板厚度,从而给出了弹体和贯穿块的运动方程。并通过与弹体贯穿混凝土板过程中弹体的加速度、速度、位移的对比,说明了钢筋混凝土板-钢板中各联系件对弹体在介质贯穿过程中位移场的影响。     

On the ballistic resistance of double-layered steel plates: An experimental and numerical investigation

Civil and military ballistic protection systems often consist of thin, high-strength steel plates. Such plates may either be monolithic or layered with or without spacing. The idea of using layered plates instead of a monolithic one in order to increase the ballistic perforation resistance is not new, and the effect of using targets made up of several thinner plates has been investigated in the literature for a long time. However, results by various authors are contradicting and detailed experimental and numerical work is still required.In the present study, the ballistic perforation resistance of double-layered steel plates impacted by blunt and ogival projectiles was investigated both experimentally and numerically. In the tests, 12 mm thick (monolithic or layered) targets of Weldox 700 E were impacted using a gas-gun at sub-ordnance velocity, and the ballistic limit velocity of the different target combinations was obtained. In general, good agreement was obtained between the numerical simulations and the experimental results. It was found that in the case of blunt projectiles a large gain in the ballistic limit is offered by double-layered systems. These advantages seem to disappear when ogival projectiles are used. However, the main conclusion from both the experimental and numerical studies is that the overall protection level, i.e. the minimum ballistic limit velocity obtained independently of projectile nose shape, seems to increase significantly by double-layering the target.     

Deformation and Failure Modes of Soft Steel Projectiles Impacting Harder Steel Targets at Increasing Velocity

The present paper describes an experimental and numerical study concerning the impact of blunt steel projectiles against harder steel plates, at impact velocities between 200 and 800 m/s. In contrast with previously published observations, three modes of deformation and failure of the soft steel projectiles were observed in the present study. These included: Taylor cylinder mushrooming, sunflower-like petalling and plugging perforation. Individual velocity ranges and the transitions between the deformation/failure modes are identified by both experiments and numerical simulations. Complex material failure mechanisms of projectile and target play conflicting roles in the various penetration stages. Johnson–Cook models of strength and accumulative damage failure are employed in 3D numerical simulation to describe material behavior of both projectile and target. Computational evolutions of each scenario are offered in detail to understand the deformation and failure of projectile and target plate.     

平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式

平头弹贯穿单层金属靶,随着靶厚的增加和弹速的增高,穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此,对于双层或多层靶的穿甲,其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析,讨论其穿甲模式。弹速较高时,贯穿第1层靶发生绝热剪切失效,弹速降低,贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效, 最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。