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。     

弹体正侵彻混凝土靶动态开坑作用过程

为了进一步研究弹体侵彻混凝土靶的开坑作用过程，基于开坑破坏过程分析对开坑阶段进行划分，结合弹体头部形状函数、Z模型流线场分布以及法向膨胀理论，建立考虑混凝土飞溅过程影响的开坑阻力计算模型，并运用文献中试验数据验证模型的可靠性。在此基础上，进一步分析了典型弹靶参数对弹体侵彻混凝土靶动态开坑作用过程的影响规律。研究结果表明：弹体开坑飞溅区范围随弹体头部形状系数和混凝土强度的增大而减小；飞溅区范围达到稳定的时间和动态开坑作用时间随初速和混凝土强度的增大而缩短，随弹体头部形状系数的增大而增大；相较于弹体头部形状系数和混凝土强度，初始撞击速度对动态开坑作用过程的影响更显著。     

弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应

为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应，总结了侵彻实验中的成坑现象，分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果；考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响，采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式；基于新型成坑效应计算公式，对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大；对于钢筋混凝土，成坑深度随撞击速度提升呈先增大后减小再增大的变化规律；在常见的侵彻速度和质量范围内，成坑角为15°～24°，质量对成坑角影响较小；迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%～25%，且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小；弹体质量越小，成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好，可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。     

Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹的侵彻行为

为研究Hf基非晶合金的变形行为及高速侵彻性能,分别开展了Hf基非晶合金材料静动态力学性能和Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹高速侵彻45钢靶体试验研究,并与45钢夹芯长杆弹侵彻结果进行对比。研究发现:Hf基非晶合金具有较高的断裂强度,断裂时伴随有能量释放现象;Hf基非晶合金夹芯长杆弹侵彻钢靶过程可分为3个阶段:开坑、夹芯结构侵彻和剩余弹体侵彻。Hf非晶合金在侵彻过程中发生了明显的释能反应,显著地增强了弹体毁伤效应,扩大了侵彻弹孔直径,增加了弹体侵彻深度和弹孔体积。在高速冲击下,Hf基非晶合金夹芯长杆弹表现出优异的侵彻性能,可以为非晶合金材料在高效毁伤领域的应用提供新思路。     

弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析

由于混凝土靶体抗刚性弹侵彻实验大多基于缩比弹体展开，侵彻深度相似律是否成立显得尤为重要。在侵彻相似模型基础上，综合分析已有侵彻实验数据及经验公式，发现侵彻深度在通常情况下存在尺寸效应，且无量纲侵彻深度随弹体尺寸变大而增大。但如果模型以及原型实验中弹体与混凝土靶体（包括粗骨料）严格等比例设计，侵彻深度相似律是成立的。不变的骨料特征（粗骨料未随弹体尺寸缩放）是引起侵彻实验以及侵彻经验公式中尺寸效应的主要原因。为研究由粗骨料引起的侵彻尺寸效应，开发了混凝土二维细观有限元建模程序，细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应，考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻实验。     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

球形颗粒遮弹层对高速侵彻弹体的作用机理

在钻地弹威慑之下，重要目标工事外覆盖遮弹层是常见加固和防护手段。硬质球形颗粒（以下简称颗粒）是常见的遮弹层组成结构。本文中将研究高速侵彻弹体与颗粒作用机理，分析遮弹效率的控制因素。首先，基于动态空腔膨胀理论，计及靶的自由面效应和颗粒强度差异，建立了靶对弹体侵彻阻力的表征模型。然后，采用弹靶分离计算方法，模拟并分析了斜侵彻含球形颗粒有限大高强混凝土时弹体的运动与变形，研究颗粒的强度、位置及尺寸对来袭弹侵彻行为的影响规律。结果表明，颗粒的遮弹作用主要取决于与其作用时弹体的姿态，其随颗粒位置变化无明显规律；颗粒强度越高，遮弹效果越好；颗粒半径从1倍到10倍弹径变化时，颗粒对弹体的作用机理从弹道偏转为主转变为弹道偏转与侵彻阻力增加两者耦合。因此，为达到良好的遮弹效果，单层球形颗粒密排遮弹层的颗粒半径建议在5倍弹体直径之上；若采用较小颗粒制作遮弹层，建议采用多层错排方式，且遮弹层厚度须在10倍弹径之上。     

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。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度研究

In this paper we carried out experiments using two-stage light gas gun with Gram-grade cylindrical tungsten alloy projectiles, impacting concrete targets at velocity from 1.82 km/s to 3.66 km/s ton investigate the cratering mechanism of concrete targets in hypervelocity impact conditions. We obtained the penetration depth and residual length of the projectiles using computerized tomography (CT) and used the numerical simulation results conducted by Euler algorithm to further examine the mechanism of hypervelocity impact, and achieved the following results: (1) The craters were structured by spalling areas and bullet holes; (2) The penetration depth increases at first and then decreases with the increase of the impact velocities, and the maximum penetration depth was 8.5 times that of the projectile length, which showed no significant advantage over low velocity penetration; (3) According to the pressure of the interface of the projectiles and targets, the penetration processes were divided into four stages, of which the quasi-steady stage and the third stage were crucial in determining the total penetration depth; (4) When the projectiles were completely eroded with the increase of the impact velocities, the penetration depth of the quasi-steady stages almost remained the same and the penetration depth of the third stage decreased so that the total penetration depth was observed to increase at first and then decrease.     

聚能装药对混凝土靶板的侵彻研究

系统开展了不同药型罩材料、不同锥角、不同壁厚的聚能装药在不同炸高下侵彻混凝土试验, 研究了罩材料、锥角、壁厚、炸高等结构参数对漏斗坑直径、侵彻孔洞直径、漏斗坑深度以及侵彻深度等参数的影响规律;应用空腔膨胀理论计算了混凝土靶体阻力, 采用改进的伯努利方程和两阶段空腔膨胀理论获得了混凝土靶板在侵彻体作用下的侵彻深度和孔洞直径, 理论结果与试验结果基本吻合;基于AUTODYN 软件平台, 采用与试验一致的聚能装药结构, 开展了57 种工况下侵彻体成形过程的数值模拟研究, 并对其中典型工况的侵彻混凝土过程进行了数值模拟, 计算所得孔洞直径和侵彻深度与试验结果吻合较好, 在此基础上深入探讨了聚能装药作用下混凝土漏斗坑的形成机理, 分析表明, 铝药型罩的开坑机理不同于钢和铜药型罩.      

长管体斜侵彻有限厚均质靶板简化模型

进行了长管体斜侵彻有限厚靶板的试验. 建立了长管体斜侵彻有限厚均质靶板的简化模型，描述了侵彻的物理图像，对长管体的受力和运动情况进行了分析. 弹坑的剖面形状与长杆体斜侵彻有限厚靶板极为相似，而在正面及背面弹坑形状出现了明显的两个``犄角'. 计算结果表明, 在火炮初速范围内，长管体的剩余速度随撞击速度的增加近似为线性递增. 试验与计算的极限穿透速度吻合较好，说明所建立的模型能够描述侵彻过程.     

A simplified approximate model of compressible hypervelocity penetration

A simplified approximate model considering rod/target material’s compressibility is proposed for hypervelocity penetration. We study the effect of shockwaves on hypervelocity penetration whenever the compressibility of the rod is much larger, analogously, and much less than that of the target, respectively. The results show that the effect of shockwaves is insignificant up to 12 km/s, so the shockwave is neglected in the present approximate model. The Murnaghan equation of state is adopted to simulate the material behaviors in penetration and its validity is proved. The approximate model is finally reduced to an equation depending only on the penetration velocity and a simple approximate solution is achieved. The solution of the approximate model is in agreement with the result of the complete compressible model. In addition, the effect of shockwaves on hypervelocity penetration is shown to weaken material’s compressibility and reduce the interface pressure of the rod/target, and thus the striking/protective performance of the rod/target is weakened, respectively. We also conduct an error analysis of the interface pressure and penetration efficiency. With a velocity change of 1.6 times the initial sound speed for the rod or target, the error of the approximate model is very small. For metallic rod–target combinations, the approximate model is applicable even at an impact velocity of 12 km/s.     

夹心弹对半无限钢靶的侵彻特性

为研究夹心长杆弹在较大速度范围内的失效机理、侵彻性能及影响因素，在较大着靶速度（0.9～3.3 km/s）下开展了两种夹心弹侵彻半无限厚4340钢靶的弹道实验，并结合数值模拟方法进行了深入分析。实验和数值模拟结果表明:超高速（＞2.0 km/s）条件下，均质钨合金弹和夹心弹均呈现出显著的流体动力学侵彻特性；中低速度（0.9～1.8 km/s）条件下，均质钨合金弹始终呈现出典型的“蘑菇头”失效，而夹心弹始终呈现出“co-erosion”失效；特别地，初速为936 m/s时，1060铝外套夹心弹的失效模式由初始的“bi-erosion”在后期转变为“co-erosion”。在实验速度范围内，中低速度下，夹心弹的侵彻性能低于均质钨合金弹；而在超高速条件下，两者的侵彻性能基本一致。然而，初始入射动能相同时，夹心弹的侵彻性能显著优于均质钨合金弹；与外套材料的密度相比，其强度对夹心弹侵彻性能的影响更显著，且外套材料强度越小，弹体的侵彻性能越好。综合分析可知，进行夹心弹设计时，应优先选取密度小、强度适中的材料作为外套材料。     

SIMILARITY LAWS OF HYPERVELOCITY PENETRATION EFFECTS OF CONCRETE1)

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s 的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson 数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的“跨声速效应”。     

弹体斜侵彻混凝土靶的实验研究及其数值模拟

以弹体斜侵彻混凝土的弹道特性为研究内容,通过侵彻实验与数值模拟得到了不同速度下的侵彻深度、开坑尺寸、偏转角等参数,实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明:倾角对开坑深度和开坑形状影响很大;倾角越大,对侵彻深度和偏转角的影响越明显,弹体偏转角随着速度的增大呈现减小的趋势;当倾角增至一定角度后发生跳弹现象,据此得到跳弹极限角与倾角、侵彻速度的关系。