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。     

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。     

A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的试验研究

为了研究破片模拟弹的终点弹道效应,进行了不同质量A3钢钝头弹(弹径25 mm)撞击45钢板的试验研究,其中A3钢强度弱于45钢。在约200～800 m/s的撞击速度范围内,随着撞击速度的增加,分别观察到弹体出现泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效及靶板冲塞穿甲三种破坏模式。伴随弹体和靶体经历的不同结构破坏模式,弹材和靶材也经历着相当复杂的材料失效。     

动能杆斜撞击靶板后效破片描述研究

针对动能杆式弹大倾角斜撞击靶板产生的靶后破片,建立了其初始破片云数学描述模型,并在此基础上对斜撞击靶后破片特征分布进行了建模。仿真结果与工程试验结果的比较表明,该模型具有较高的可信度。     

超高速撞击数值仿真结果分析

为了分析超高速撞击过程的宏观现象和内在机理,对9.53 mm铝球以6.64 km/s的速度撞击2.2 mm厚的铝靶的SPH仿真结果进行了量化分析。结果表明:采用SPH方法以及Steinberg弹塑性模型和Mie-Grneisen状态方程,可获得与试验相符的仿真结果;球形破片开坑或穿孔直径遵循初始快速增加、然后缓慢增加,直至稳定的变化规律;破片/靶板界面的最大撞击压力比材料强度大两个量级以上;靶板阻抗力最大值发生在破片最大直径侵入靶板时刻;碎片云的运动过程具有自相似演化特征,其运动范围不会超出碎片云的包络圆锥范围。     

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。     

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。     

超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能，分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法，研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系，得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数，完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟，结果表明，数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

穿破甲有限元的几何非线性及物理参数的确定

在现有计算程序的基础上 ,引入有限变形几何框架及大变形条件下的Bodner Partom本构模型。同时 ,利用实验数据确定了材料的物理参数。计算与实验的对比说明 ,所给出的非线性几何计算及物理参数的确定方法可用于穿破甲过程。     

钨合金长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟

用自编计算程序给出了长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟。其中层合板的面板和背板均为装甲钢,中间为3层氧化铝陶瓷。装甲钢和长杆弹材料的本构关系采用Johnson-Cook模型,将Mohr-Coulomb盖帽模型与Bodner-Partom模型相结合来描述氧化铝陶瓷的失效和流动过程。为了提高有限元的计算精度,使用了一致质量矩阵迭代法,破坏网格的处理采用了网格侵蚀法。数值模拟的最终穿深计算结果与实验一致。     

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

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。     

A membrane model for the response of thin plates to ballistic impact

The axisymmetric response of an infinite plate to an impacting projectile is determined analytically on the hypothesis that, for large deformations, a ductile plate behaves to a good approximation like a membrane under uniform tension. The lowest projectile velocity that results in perforation (the ballistic limit), and the residual velocity after perforation, then are determined on the basis of a critical-strain failure criterion. A figure of merit that depends only on the material properties of the target and characterizes the resistance of the material to impact appears naturally in the analysis. Variations in the ballistic limit with target thickness and projectile dimensions can be determined when this figure of merit is known. The theoretical ballistic limit and residual velocity for a steel cylinder impacting a titanium plate are found to agree with available measured values. Further support for the membrane model and an estimate of its range of validity are obtained by comparing the maximum displacement of an impulsively-loaded, circular membrane with experimental data for circular plates.