装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

基于二维DIC的脆性材料拉伸应力-应变曲线测定

在应变测量中,基于普通二维数字图像相关(2D-DIC)的光学引伸计易受到离面刚体位移的影响,从而使得应变测量精度不高。为此,提出了基于双反射镜成像技术的光学引伸计,将试样正反面同时记录在单相机的成像靶面上。在试样正反面对应位置各置一个光学引伸计,取两者应变平均值,则可消除离面刚体位移对光学引伸计应变测量结果的影响。基于该引伸计,开展了环氧树脂和铸铁两类脆性材料的单轴拉伸实验,分别得到了应力-应变曲线。实验结果表明,本文提出的引伸计比基于普通二维DIC的光学引伸计具有更高的应变测量精度,是一种便捷、高效、高精度的应变测量方法,非常适用于脆性试样的应变测量。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

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。     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

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。     

锥头刚性钨弹贯穿铝合金靶理论模型与应用

利用柱腔膨胀理论,提出了带有圆锥形头部的刚性杆式钨弹侵彻和贯穿薄铝靶板的理论模型.该模型考虑了弹靶之间的摩擦效应的影响.推导获得了弹体撞击并侵彻和贯穿靶体全过程中的弹体速度和弹体贯穿靶体时的剩余速度解析表达式,给出了弹体的速度时程曲线.通过比较理论与基于MSC.DYTRAN软件的有限元数值结果,验证了理论模型的适用性.基于理论模型的结果表明,弹体锥头长度越大,弹体剩余速度越高.弹体越细,其贯穿靶威力越大.弹靶之间的摩擦将降低弹体的剩余速度.计算也进一步表明,考虑摩擦的影响,弹锥头长度存在对应于获得最大剩余速度的某一最佳值.     

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。     

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。     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

抵御小口径火炮弹道侵彻装甲防护模拟实验研究

为研究舰艇结构在小口径火炮弹道冲击下的响应以及各种舰用装甲结构抵御小口径火炮弹道冲击的有效性,以典型的小口径火炮战斗部为模拟对象,根据弹道冲击的相似理论,分别设计了模拟实验的弹体和6种靶板结构,并进行了弹道冲击实验研究。模拟实验结果表明,普通舰艇结构不能抵御小口径火炮弹道侵彻,必须设置专门的防护装甲;采用陶瓷/钢/纤维增强复合材料组合装甲结构抵御小口径火炮时,装甲防护结构比均质钢装甲减轻约60%;陶瓷材料能改变背板的破坏形式和破坏程度,大大增加背板的吸能量,此外,陶瓷对弹体的侵蚀、钝化及碎裂能大大降低弹体的侵彻能力。     

An Out-of-Plane Motion Compensation Strategy for Improving Material Parameter Estimation Accuracy with 2D Field Measurements

In-plane surface displacements, when measured with 2D Digital Image Correlation (2D-DIC), are very sensitive to out-of-plane displacement components. Any out-of-plane motion of the surface can pollute the measured field by introducing artificial displacements. These displacements are difficult to separate from the underlying response of the surface and thereby limit the application of 2D-DIC in inverse problems where the test specimen has significant motion in the out-of-plane direction. In the context of inverse problems, we propose to partially relax this condition of no out-of-plane motion in 2D-DIC. With this approach, only the out-of-plane rigid-body motion of the specimen surface, which is initially in-plane, needs to be avoided while the requirement of surface deformations to be primarily in-plane is essentially waived. Compensation, based on the pinhole camera model, for out-of-plane displacements of the surface in response to applied load is included within the error function of the minimization problem. The improvements in material parameter estimation, obtained by using the proposed compensation strategy, are demonstrated by an example. The proposed technique makes it possible to utilize 2D-DIC with a simple conventional lens for an increased number of inverse problems; and in the process avoiding the computational and experimental difficulties associated with 3D measurement methods as well as the high cost and magnification limitations of a telecentric lens.     

弹靶尺寸对陶瓷/金属复合装甲防护性能的影响

利用Autodyn软件开展数值模拟工作,对陶瓷/金属复合装甲的防护性能与弹靶尺寸的关系进行研究。首先,建立二维轴对称SPH-Lagrange模型,并利用实验数据验证模型有效性;在此基础上对不同几何参数的弹靶撞击进行数值模拟,分析靶板厚度、靶板平面尺寸、子弹长度等对氧化铝陶瓷/铝合金复合装甲弹道极限速度的影响规律。然后,通过量纲分析,提出装甲弹道极限速度与弹靶几何参数的量纲一关系式,并在数值模拟结果的基础上建立一个装甲弹道极限速度的经验公式。     

Effect of projectile nose shape on the ballistic resistance of ductile targets

Three-dimensional numerical simulations were carried out to study the ballistic resistance of ductile targets subjected to normal impact by the projectiles. 12 mm thick Weldox 460 E steel targets were impacted by 20 mm diameter conical nosed projectiles and 1 mm thick 1100-H12 aluminum targets were impacted by 19 mm diameter ogive nosed projectiles. The internal nose angle of conical projectile was varied (33.4°–180°) and found to have significant effect on the ballistic limit of 12 mm thick Weldox 460 E steel target. Similarly, the caliber radius head (CRH) of ogive nosed projectile was varied (0–2.5) and found to have significant effect on the ballistic limit of 1 mm thick 1100-H12 aluminum target. The ballistic limit of 12 mm thick Weldox 460 E steel target increased almost linearly with the decrease in the projectile nose angle. While the ballistic limit of 1 mm thick 1100-H12 aluminum target increased as the CRH increased from 0 to 0.5 and with further increase in CRH to 1.0, 1.5, 2.0 and 2.5 its values were found to drop quite significantly. ABAQUS/Explicit finite element code was used to carry out the numerical simulations.     

High-Accuracy 2D Digital Image Correlation Measurements with Bilateral Telecentric Lenses: Error Analysis and Experimental Verification

By comparing two digital images of a test planar specimen surface recorded in different configurations, two-dimensional digital image correlation (2D-DIC) provides full-field displacements to sub-pixel accuracy and full-field strains in the recorded images. For the 2D-DIC systems using an optical lens, a simple pinhole imaging model is commonly used to describe the linear relationship between the measured sensor plane displacements and the actual displacements in the object surface. However, in a practical measurement, various unavoidable disadvantageous factors, such as small out-of-plane motion of the test object surface occurred after loading, small out-of-plane motion of the sensor target due to the self-heating or temperature variation of a camera, and geometric distortion of the imaging lens, may seriously impair or slightly change the originally assumed linear correspondence. In certain cases, these disadvantages may lead to significant errors in displacements and strains measured by 2D-DIC. In this work, the measurement errors of 2D-DIC due to the above three disadvantageous factors are first described in detail. Then, to minimize the errors associated with these disadvantages, a high-accuracy 2D-DIC system using a bilateral telecentric lens is established. The performance of the established 2D-DIC system and other two 2D-DIC systems using a conventional lens and an object-side telecentric lens are investigated experimentally using easy-to-implement stationary, out-of-plane and in-plane rigid body translation tests. A detailed examination reveals that a high-quality bilateral telecentric lens is not only insensitive to out-of-plane motion of the test object and the self-heating of a camera, but also demonstrates negligible lens distortion. Uniaxial tensile tests of an aluminum specimen were also performed to quantitatively compare the axial and transversal strains measured by the proposed 2D-DIC system and those measured by strain gage rosettes. The perfect agreement between the two measurements further verifies the accuracy of the established 2D-DIC system.     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。