长杆高速侵彻问题研究进展

由高密度金属制成的长杆弹在1.5～3.0 km/s的高速下具有很强的侵彻和贯穿能力,长杆高速侵彻问题现已成为穿甲侵彻领域的研究热点.本文综述了长杆高速侵彻问题的最新研究进展,首先介绍了长杆高速侵彻的基本概念、研究方法和理论模型;其次重点论述了研究中关注的突出问题与应用,包括弹靶材料性质、长杆弹头部形状、长径比效应与分段杆设计、陶瓷靶抵抗长杆侵彻与界面击溃和非理想长杆侵彻;最后对未来的研究工作提出一些建议.     

Review on long-rod penetration at hypervelocity

由高密度金属制成的长杆弹在1.5$\sim$3.0km/s的下具有很强的侵彻和贯穿能力,长杆高速侵彻问题现已成为穿甲侵彻领域的研究热点.本文综述了长杆高速侵彻问题的最新研究进展,首先介绍了长杆高速侵彻的基本概念、研究方法和理论模型;其次重点论述了研究中关注的突出问题与应用, 包括弹靶材料性质、长杆弹头部形状、长径比效应与分段杆设计、陶瓷靶抵抗长杆侵彻与界面击溃和非理想长杆侵彻;最后对未来的研究工作提出一些建议.     

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。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

SPH算法在长杆弹侵彻多层间隔靶中的应用

基于Autodyn软件,应用SPH算法对长杆弹高速侵彻多层间隔金属靶板的过程进行数值模拟,分析了弹体侵彻靶板后的剩余速度、剩余动能、以及形成的破片及其飞散情况,同时模拟初始速度及弹体质量对侵彻过程的影响.通过与实验结果的比较,表明数值模拟的结果是合理的,能够准确模拟长杆弹对多层间隔靶的高速侵彻过程,对预测弹体侵彻件能以...     

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

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。     

Al2O3陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能和机理实验研究

用DOP(depthofpenetration)实验研究了质量分数为 90 %的Al2 O3 陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能。实验表明 :随陶瓷厚度的增加 ,以差分效益系数和靶平均阻力表征的陶瓷复合靶的抗长杆弹侵彻性能降低 ;盖板能增强陶瓷复合靶抗侵彻性能。对回收陶瓷和盖板的破坏特征分析表明 :长杆弹对陶瓷复合靶侵彻过程大致可分为初期侵彻和稳定侵彻两个阶段 ,但对薄靶和厚靶 ,两个阶段在整个侵彻过程中所占比重不同。     

长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展，长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律，本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据，对开坑直径和开坑体积进行量纲分析，基于开坑截面的弓形形貌几何关系，得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸，在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段；弹体发生严重的长度缩短，直至最后完全侵蚀，弹洞半径明显大于弹体半径，说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外，在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数；侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大，受弹体强度影响不大。     

钨合金长杆弹侵彻约束AD95陶瓷复合靶

以侵彻深度(depthofpenetration,DOP)实验为基础,利用LS-DYNA 软件进行数值模拟,对钨合 金长杆弹侵彻45钢鉴证靶和约束AD95陶瓷复合靶进行了对比研究。通过数值模拟与实验结合的方法,得 到了AD95陶瓷的JH-2模型(Johnson-Holmquistceramicmaterialmodel)参数;深入分析了钨合金长杆弹侵 彻约束AD95陶瓷复合靶侵彻响应过程。     

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。     

长杆高速侵彻的特征控制参量分析

针对理想长杆侵彻,通过对长杆侵彻Alekseevskii-Tate模型近似解进行分析,指出单一的无量纲速度衰减系数α（deceleration index）不足以完全表征长杆高速侵彻的准定常阶段。在此基础上,重新定义了2个无量纲特征参量:Johnson破坏数Φ_Jp和特征时间系数β,2个参量之间的关系为α=β/Φ_Jp。分析表明,Φ_Jp和β（或α和β）可实现对长杆高速侵彻准定常阶段的弹尾速度的完全表征;若再引入长杆弹相对临界速度v_c*,则可完全表征长杆侵彻的准定常阶段。此外,还证明了α能够判定侵彻过程偏离定常状态的程度,并指出通过确定Φ_Jp和β（或α和β）,可针对攻防需求对长杆弹侵彻设计进行指导。     

杆弹侵彻钢纤维混凝土实验研究

采用DOP实验方法,进行了35CrMnSiA杆弹对不同钢纤维体积含量的钢纤维混凝土的侵彻实验.分别研究了杆弹着速和钢纤维体积含量对钢纤维混凝土杭侵彻性能的影响.实验表明,随着弹速增加,不同钢纤维含量的钢纤维混凝土侵彻深度都会增加,但钢纤维混凝土中弹体便深增加较素混凝土缓慢;而钢纤维能增强混凝土的抗侵彻性能,且随钢纤维体...     

超高速撞击动力学及航天器防护研究进展

概述了超高速撞击动力学的国内外研究背景;从超高速撞击厚板成坑、中厚板侵彻、薄板形成碎片 云、模拟实验技术和数值模拟技术5个方面总结了超高速撞击动力学的研究进展情况;分析 了超高速撞击对航天器的毁伤效应;给出了航天器的防护要求;讨论了航天器防护结构的方 案设计和性能表征. 为超高速撞击动力学和航天器防护研究提供技术参考.     

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.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

Approximate solutions of the Alekseevskii–Tate model of long-rod penetration

The Alekseevskii–Tate model is the most successful semi-hydrodynamic model applied to long-rod penetration into semi-infinite targets. However, due to the nonlinear nature of the equations, the rod(tail) velocity, penetration velocity, rod length, and penetration depth were obtained implicitly as a function of time and solved numerically By employing a linear approximation to the logarithmic relative rod length, we obtain two sets of explicit approximate algebraic solutions based on the implicit theoretica solution deduced from primitive equations. It is very convenient in the theoretical prediction of the Alekseevskii–Tate model to apply these simple algebraic solutions. In particular, approximate solution 1 shows good agreement with the theoretical(exact) solution, and the first-order perturbation solution obtained by Walters et al.(Int. J. Impac Eng. 33:837–846, 2006) can be deemed as a special form of approximate solution 1 in high-speed penetration. Meanwhile, with constant tail velocity and penetration velocity approximate solution 2 has very simple expressions, which is applicable for the qualitative analysis of long-rod penetration. Differences among these two approximate solutions and the theoretical(exact) solution and their respective scopes of application have been discussed, and the inferences with clear physical basis have been drawn. In addition, these two solutions and the first-order perturbation solution are applied to two cases with different initial impact velocity and different penetrator/target combinations to compare with the theoretical(exact) solution. Approximate solution 1 is much closer to the theoretical solution of the Alekseevskii–Tate model than the first-order perturbation solution in both cases, whilst approximate solution 2 brings us a more intuitive understanding of quasi-steady-state penetration.