水射流辅助破岩机理研究（2）－水滴撞击

利用MSC.Dytran中的具有强度的多材料欧拉网格模拟水滴和有限长连续射流对靶板 (岩石)的高速冲击作用，研究了靶板破坏深度、破坏宽度与水滴初压力、速度、入射方向、 板厚以及连续射流的密度等的关系及其物理意义. 用应力波理论来解释靶板的层裂现象，试 图多角度分析射流破岩机理.     

12.7mm动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟研究

通过弹道枪实验对斜置角度为0°～60°的陶瓷复合装甲进行了弹道极限测试，分析了靶板斜置角度对穿燃弹的弹道极限和钢芯质量变化、破坏形态的影响。利用数值模拟的方法对上述实验结果进行验证计算，鉴于数值计算结果与实验结果较好的一致性，进一步研究了陶瓷复合靶板斜置角度对穿燃弹钢芯穿靶偏移角和等效Q235钢靶厚度的影响。结果表明，随陶瓷复合靶板斜置角度的增大:弹道极限近似指数型提高；在相同弹道极限速度下，穿燃弹对Q235钢靶板的极限穿深和对斜置陶瓷复合靶板的极限穿深的等效厚度的比也随之增大；同时，钢芯完整度逐渐降低，穿靶偏移角反向增大。     

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应，设计了大尺度舱段模型，并开展了舷侧近距离水下爆炸试验，试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:（1）舷侧近距离水下爆炸下，在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏，但毁伤范围有限，基本以局部破坏为主；（2）舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷，主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的，与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异；（3）基于板格能量计算方法，建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式，与试验结果吻合较好；（4）近距离爆炸下，舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

锥头弹丸低速撞击下薄金属靶板的穿透

假定薄金属靶板的变形可分为局部变形和整体变形,在此基础上建立了一个新的分析模型,对固支薄金属靶板的低速穿透进行评估.靶板的局部变形分析通过准静态柱形空穴膨胀理论结合靶板的自由表面效应修正函数,给出了靶板对弹丸的阻力表达式,然后计算出局部变形耗能;整体变形分析采用了Wen-Jones模型的近似准静态方法,通过载荷-位移关系和虚功原理计算整体变形耗能.推出了锥头弹丸穿透金属靶板的耗能公式和弹道极限公式.模型预测结果与实验数据进行了比较,发现二者吻合得较好.     

超高性能混凝土临空板接触爆炸破坏效应实验研究

为了研究超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）的抗接触爆炸性能,开展了C120、C150和C180等3种强度等级共24块UHPC临空板的接触爆炸实验,定量分析了不同药量时典型配筋与不配筋靶板的局部破坏特征,得到了UHPC的爆炸临界震塌系数、压缩系数和成坑系数。结果表明:相同药量下,UHPC板的正面破坏程度随材料强度的提升而减轻;强度越高,爆炸成坑系数和压缩系数越小,抗爆性能越好;配筋率较低时,钢筋对UHPC板正面爆坑尺寸及背面震塌破坏程度影响较小,但对板的整体变形起到了一定的减轻作用,能够减小板底的剩余挠度和裂缝宽度;C150靶板的爆炸临界震塌系数最小,不大于0.251 m/kg1/3,C120和C180靶板的爆炸临界震塌系数相近,不大于0.285 m/kg1/3。在设计、使用纤维含量较高的大尺寸UHPC构件时,应特别关注由纤维分布方向性引起的材料各向异性和结构力学性能的变化。     

舰船舷侧复合装甲结构抗动能穿甲模拟实验

以均质钢板前置复合材料板模拟舰船舷侧复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析了结构的 破坏模式和吸能机理,比较了复合材料板与均质钢板的抗弹性能。在此基础上,根据靶板破坏模式,得到了球 头弹穿透组合靶板的剩余速度预测公式,并与实验结果进行了比较。结果表明,复合材料板的面密度吸能远 大于均质钢板的;组合靶板中前置复合装甲板的破坏模式主要为纤维拉伸断裂,而钢质背板则由于前置复合 装甲板的影响,破坏模式主要为花瓣开裂破坏;将剩余速度理论预测值与实验数据进行比较,两者吻合较好。     

着靶速度对PELE横向效应的影响

为了分析弹丸着靶速度与PELE横向效应之间的关系，在弹靶系统一定的条件 下，就不同弹丸着速对PELE横向效应的影响进行了试验. 试验结果表明，着速与破片的数量 和覆盖面积有很大关系. 在400$\sim$900\,m/s范围内，随弹丸着速的提高，PELE在穿透靶板后，破片数量增多，覆盖面积增大， 横向效应增强. 结合试验，对PELE弹侵彻靶板进行了数值仿真，仿真结果与试验结果吻合较好. 在进一步分析时发现，着速增至900\,m/s左右时，破片横向速度降低，着速增至1\,100\,m/s左右时跌至最低，而后又逐渐回升.     

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。     

混凝土靶板冲击响应的经验公式

对预测混凝土靶板在弹丸撞击下的响应和破坏的经验公式进行了综述,包括预测侵彻深度、痂斑破坏和穿透的经验方程,并对国外现有的有关钢筋混凝土靶板抗弹设计和评估的规范进行了评论。结果表明,现有经验模型的不完备性和现有设计和评估准则的自身缺陷,清楚地说明有必要在混凝土撞击、侵彻和穿透这一活跃研究领域,做进一步的实验、理论和数值模拟工作,以便对余留问题找到令人满意的答案。     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度，根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征，认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法，计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系，得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度；随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大，靶板的弹道极限速度近似线性增大；长短轴之比小于3时，加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

红外窗口与整流罩的雨蚀研究进展

评述了高速雨滴对红外透波窗口与整流罩的冲蚀磨损行为及其特殊表面载荷的应力波传播形式、损伤裂纹类型和力学机制,介绍了雨蚀损伤的影响因素及评测方法和指标,指出了当前高速雨滴对红外透波窗口与整流罩的冲击磨蚀行为的研究方向.     

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。     

弹、塑性弹丸冲击混凝土的滑移面算法及其损伤演化

将有限元方法与光滑粒子动力学方法相结合,编制了弹、塑性弹丸冲击混凝土的计算程序,其中给出具有人工动量输运功能的滑移面算法。计算表明,弹丸按弹、塑性计算与按刚体计算的侵彻过程不同;特别对于壳结构弹体,其冲击速度存在临界值。超过临界冲击速度,弹体将发生较大塑性变形和损伤破坏,而且弹丸侵彻深度不能再随冲击速度增加而有效地增加。弹体损伤区的内损伤演化率与冲击速度有关,当冲击速度增加时损伤演化加快。     

油水井水泥环在冲击载荷作用下的损伤分析

 冲击整形扩径工艺是修复油水井套管损坏的常用技术，根据冲击整形的施工工艺和波 动理论，建立了套损局部位置处水泥环的损伤力学模型，以有限变形理论为基础，采用悬臂 梁力学模型，分段研究了冲击整形时钻杆屈曲的平衡位形及对套管、水泥环产生 的冲击力. 结合水泥环的应力状态, 根据脆性 材料的Mazars损伤模型，建立了水泥环的损伤力学模型. 并分析了水泥环的损伤 状态. 通过与现场测试结果对比，理论计算与实测结果误差在2.7%左右.     

Investigation of the damage variable basic issues in continuum damage and healing mechanics

Consistent mathematics and mechanics are used here to properly interpret the damage variable within the confines of the concept of reduced area due to damage. In this work basic issues are investigated for the damage variable in conjunction with continuum damage and healing mechanics. First, the issue of the additive decomposition of the damage variable into damage due to voids and damage due to cracks in continuum damage mechanics is discussed. The accurate decomposition is shown to be non-additive and involves a term due to the interaction of cracks and voids. It is shown also that the additive decomposition can only be used for the special case of small damage. Furthermore, a new decomposition is derived for the evolution of the damage variable. The second issue to be discussed is the new concept of independent and dependent damage processes. For this purpose, exact expressions for the two types of damage processes are presented. The third issue addressed is the concept of healing processes occurring in series and in parallel. In this regard, systematically and consistently, the equations of healing processes occurring either consecutively or simultaneously are discussed. This is followed by introducing the new concept of small healing in damaged materials. Simplified equations that apply when healing effects are small are shown. Finally, some interesting and special damage processes using a systematic and original formulation are presented.     

Dynamic response and damage analysis of fiber-reinforced composite laminated plates under low-velocity oblique impact

Fiber-reinforced composite laminates (FRCL) is susceptible to the external impacting. Understanding the crack propagation and structural mechanical properties of the damaged FRCL under low-velocity oblique impact is of great value in practical application. A new analytical dynamic model is developed in this work to research the dynamic response and damage property of FRCL under oblique impacting. The displacement field and strain–displacement relations of the FRCL are established by utilizing higher-order shear plate theory. The matrix damage and fiber rupture in FRCL under oblique impacting are captured by an internal variable-based continuum damage constitutive relation. To accurately predict the oblique impacting force, an analytical dynamic impacting model is proposed basing on a developed contact model, where normal and tangential contact is coupled and solved simultaneously. The whole initial boundary value problem is iteratively solved by synthetically using finite differential method and Newmark-\(\beta \) method. The solving convergence and accuracy of the model is demonstrated and validated. Simulations show that the matrix damage is more easily to appear in FRCL under shear force due to oblique contact when under oblique impacting, and the damage profile is different from normal impacting. The dynamic responses of the FRCL plate under oblique impacting differ also greatly from normal impacting. The current research provides a theoretical basis for FRCL design and its engineering application when under low-velocity impacting.     

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）。     

Experimental investigations of hypervelocity impact onto aluminium dual-plate structure

Dual-plate structure is very effective in the protection of space vehicle from hypervelocity impact. The experiments of Al projectile impacting Al dual targets at the velocity ranging over 2.5–7.0 km/s were systematically conducted. The damage effects were examined, including the perforation of the shield, the development of debris cloud and the general damage characteristics of the subplate. Many valuable experimental data and phenomena have been obtained     

花岗岩块石浆砌结构抗弹丸斜侵彻/冲击性能实验研究

通过实弹射击试验,研究了花岗岩-钢筋混凝土复合靶板的抗侵彻/冲击性能.结果表明,该靶板具有较好的抗侵彻/冲击能力.与同等厚度的普通钢筋混凝土靶板相比,在射弹特性和撞击条件相同的情况下,该结构抗侵彻/冲击能力明显增强.对薄靶板而言,冲剪破坏为主要的破坏形式,增强抗剪能力,能够提高靶板抗侵彻/冲击能力.当弹体速度不高时,局部作用和结构整体响应之间一般有很强的耦合.该花岗岩-钢筋混凝土靶板局部既有一定的刚度,整体也具有一定的塑性,因此具有较好的抗弹体侵彻/冲击能力.这种结构施工简单,取材方便,造价相对低廉,具有一定的应用前景.