飞机模型高速撞击钢筋混凝土载荷特性实验研究

为得到大型商用飞机撞击的冲击载荷特性及其计算方法,基于火箭橇加载试验平台,搭建了飞机模型撞击钢筋混凝土运动靶体测试系统,开展了两种不同尺寸飞机模型的撞击试验,利用高速摄影技术获得了飞机模型撞靶前的姿态、着速及飞机模型撞靶的破坏过程。采用加速度测试系统和激光干涉测速系统,分别得到撞击过程中运动靶体的加速度和速度历史,据此得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,二者吻合,验证了测试系统的可靠性。通过飞机模型上安装的机载存储过载测试系统,获得了撞击过程中飞机模型的负加速度-时间曲线,由此确定了修正的Riera理论模型中的静载荷项,并进一步计算得到靶体受到的冲击载荷-时间曲线,与通过测试靶体的加速度或速度得到的结果一致,验证了使用修正的Riera理论模型计算飞机模型冲击载荷的合理性及计算方法的正确性,同时确定了适合于本试验中飞机模型的修正系数α。     

Instrumented Projectile Penetration Testing of Granular Materials

The results of a series of penetration experiments with cylindrical projectiles (diameter: 30 mm, length: 158 mm) of different tip geometries (hemispherical, conic and flat) impacting with approx. 380 m/s on cylindrical sand targets (diameter: 250 mm, length: 1 m) are presented. The projectiles are instrumented with an on-board data recorder system with acceleration sensor (G-Rec), allowing for in-situ measurement of the decelerations experienced during the impact and during the subsequent penetration process. During and after the acceleration stage inside the gun barrel, the velocities derived from the G-Rec data show a very good agreement with an independent reference velocity measurement obtained by a light barrier system. Immediately after the initial impact on the granular material (compacted sand for this study), the sensor signals indicate very strong amplitude oscillating decelerations in the range of 50,000 to 80,000 g. The measured penetration depth varied widely for identical conditions of projectile impact, using identical preparation procedures for the sand sample. Variables considered for the experimental program included projectile tip shape, initial sand compaction state, and projectile velocity. A data reduction procedure to obtain velocity and position information of the projectile while penetrating the sand assembly is presented, taking into account a constant value (offset) observed in the raw signals of G-Rec at the end of penetration process. The formation of a false tip of agglomerated quartz powder in front of the projectile was observed in all cases. The observed shape of the false tip (penetrator tip with comminuted sand) was found to be identical for all projectile tip shapes (flat, hemispherical, and conical) considered in this study. Initial examination results of the false tip using X-ray computed tomography are presented.     

基于Choi-Williams分布的侵彻层数识别方法

针对侵彻多层硬目标过程中实测加速度信号的振荡叠加,以及可能引起的层数误判问题,采用时频分析法研究弹体主轴方向加速度信号的Choi-Williams能量分布特征,提出了以侵彻过程加速度信号的能量分布为依据的层数识别方法。侵彻8层等间距混凝土靶板的实测数据处理结果表明,该方法可快速准确实现层数识别,解决了低通滤波方法无法获取准确层数信息的问题,为实时控制起爆位置提供依据。     

弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。不同初速下弹丸的侵彻深度、侵彻过程中弹丸的位移、速度和负加速度时间历程的计算结果与测试数据符合很好,弹丸过载在12 000g~15 000g之间。该解析模型能够较真实的描述弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态,并且该模型能够分析配筋结构、配筋尺寸、网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响。     

Experimental and theoretical study of penetration of spherical solids into wet sand

Results of a series of inverted laboratory experiments on the normal impact of spherical bodies onto targets made of wet sand (with humidity of 10%) and water-saturated sand (with humidity of 18–20%) placed into cylindrical metallic containers are reported. Experimental data are compared with results calculated by a modified Godunov difference method. Changes in the forces of resistance to penetration at different stages of the impact interaction process are analyzed, and the influence of humidity and granulometric composition of sand on the maximum values of forces at different impact velocities is studied. The maximum force of resistance for sand with 20% humidity is found to be smaller by a factor of 1.5–2 than that for dry sand.     

混凝土爆破损伤的SPH-FEM耦合法数值模拟

为了提高计算效率以及更好展现爆炸荷载下混凝土破坏过程,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破成坑进行模拟。首先结合前人给出的C30混凝土Holmquist-Johnson-Cook（HJC）部分本构参数,通过理论推导等方法确定出剩余的参数;然后代入模型中计算,将数值解与实测数据进行对比;最后以峰值压力和峰值加速度作为考察对象,对HJC模型中21个参数敏感性进行分析。结果表明:SPH-FEM耦合法能直观地模拟爆炸荷载作用下爆坑的发展全过程,且能够较好地处理SPH边界问题;基于所给出的C30混凝土HJC本构参数,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破破坏进行模拟,计算结果与实测数据吻合度高,表明HJC本构参数的确定具有合理性。此外,还发现HJC本构参数对爆破问题结果的敏感度各不相同,指出对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数在确定的时候需引起足够的重视。     

弹体高速侵彻效率的实验和量纲分析

为了研究高速侵彻时弹体撞击速度、材料强度等对质量侵蚀特性和侵彻效率的影响规律,开展了不同材料强度和长径比的弹体高速侵彻半无限厚素混凝土靶实验,弹体撞击速度为880~1 900 m/s,弹头形状为尖卵型(半径口径比为3),口径为30 mm。由实验发现:弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布,最大侵彻效率时的弹体特征撞击速度约1 400 m/s;高速侵彻时弹体的质量侵蚀主要发生在卵形头部,弹身及尾部损伤极少;速度超过特征撞击速度时,弹体侵蚀严重,甚至弯曲变形或解体;弹体强度提高至约2倍时,质量侵蚀率降低约80%。基于实验,利用量纲分析原则建立了量纲一侵彻效率和量纲一弹体撞击速度的函数关系式,可估算出最大侵彻效率对应的弹体撞靶速度,为高速侵彻效应模拟实验提供理论指导。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据，基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验，弹体质量为5.4 kg，靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种，混凝土抗压强度为50 MPa，弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s，实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型，结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律，很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象；数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好，实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

炸药爆炸驱动下铜板的层裂现

在进行炸药驱动铜板实验中,用激光速度干涉仪(VISAR)记录铜板自由面速度,观察到了铜板层裂现象,并用非线性有限元方法对爆炸载荷下铜板层裂过程进行数值模拟分析,得到了与实验结果吻合的计算结果。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

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.     

双材质复合射流对混凝土的侵彻

为了增大射流对混凝土靶板的开孔直径,并保证侵彻深度满足要求,在传统铜质药型罩与空气接触的一侧增加了铝质药型罩,这样在炸药爆炸驱动下形成内芯由高密度材料、外层由低密度材料组成的双材质复合射流,增大了射流直径。并根据双材质复合射流的侵彻特点,分析了侵彻过程中单质射流侵彻、双滞止点侵彻和单滞止点侵彻下的混凝土开孔直径。X射线实验显示:双材质复合射流成型形态良好,铝罩较厚时射流直径增大;在实验范围内,随着铝罩厚度的增加开孔直径有所增大,并且满足侵彻深度要求。对双材质复合射流的侵彻过程进行了理论计算,实验与计算孔形较好吻合。     

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765~1766m/s速度范围内,对钨纤维体积分数为80%的增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验,对残余弹体进行宏、细观观测,研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明,在大于1000m/s速度侵彻时,钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力,表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层,呈局域化和尖锐化特点,而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用,弹体材料易发生剪切断裂等破坏,通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。     

基于机械振动理论的垂直侵彻弹靶作用模型

为了给侵彻引信抗高过载优化设计提供准确的力学输入，将机械振动理论引入侵彻过程建模领域，提出了一种侵彻战斗部刚体运动与一阶轴向振动相结合的垂直侵彻弹靶作用模型。在垂直侵彻过程受力分析的基础上，基于牛顿第二定律建立了战斗部刚体运动模型，基于单自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了战斗部一阶轴向振动模型，并采用数值积分的方法获得了垂直侵彻过程中各物理量的变化规律。和火炮试验实测加速度信号的对比分析结果表明:考虑战斗部一阶轴向振动后的垂直侵彻弹靶作用模型能更准确地描述侵彻过程，能更有效地指导侵彻引信的抗高过载优化设计。     

Investigation of the acceleration of aluminum particles behind a shock wave using instantaneous Laser Doppler Velocimetry

The acceleration of aluminum particles with a 5μm diameter in the flow field behind an incident shock wave was investigated experimentally in a 10-m long and 70 mm inner diameter shock tube. By means of instantaneous Laser Doppler Velocimetry (LDV) the velocity of the particles was observed directly. The light scattered by the moving particles is Doppler shifted and sent to the laser Doppler velocimeter. The velocimeter essentially consists of a phase-stabilized Michelson interferometer used as a sensitive spectrometer. An electro-optical circuit ensures the phase stabilization that results in a voltage signal independent of the scattered light intensity and proportional to the mean velocity of the particles at the measurement point. Because of the very short response time (1μs) of the LDV system used here, the latter gives a continuous real-time signal of the particle acceleration. To avoid particle oxidation the particles were accelerated by a high-speed nitrogen gas flow. From the measured velocity the dimensionless drag coefficient was calculated. The drag coefficient is related to the fluid dynamic force exerted by the gas on the particles. The experimental data were compared to theoretical models from the literature. A significant deviation between the model and the experimental data was observed. This deviation is supposed to be induced by the shock wave, which hits the particles and breaks them into pieces of a smaller diameter. Further experiments will be carried out in the future to check the size distribution of the particles after the shock has gone past them.      

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.     

不同速度段弹体侵彻岩石靶体的理论分析

随着撞击速度的增加,弹体对岩石类靶体的侵彻机制会发生显著变化,由刚体侵彻逐步转变为半流体侵彻和流体侵彻,3种侵彻机制各自适用的理论模型完全不同。在半流体侵彻阶段,弹体质量损失开始显著增加,造成侵彻效率严重下降,侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量与速度的理论模型以及弹体刚体段的侵彻阻抗,推导出考虑弹体质量损失的半流体侵彻深度计算公式。对于超高速撞击时的流体动力学侵彻段,通过对流体区和刚性区进行假定,建立动量守恒和伯努利方程,推导给出该阶段弹体的侵彻阻抗,结合弹体质量变化方程推导出侵彻深度的表达式。最后将3个阶段的理论计算结果与花岗岩侵彻试验数据进行了对比验证,侵深和弹体质量变化规律均吻合良好,而且各阶段模型计算结果反映出的侵彻变化规律与实验结果完全一致。     

一种确定均匀动脉壁面切应力的非线性方法

从Ling和Atabek提出的``局部流'理论出发，提出一种利用测量血液黏度、管轴上 的血流速度、压力和管径波形计算均匀动脉管壁切应力的非线性方法. 将这种方法与柳兆荣 等提出的利用测量血液黏度、管轴上的血流速度和平均管径计算切应力的线性方法比较，结 果表明，当管壁脉动幅度较小时，两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别较 小；而当管壁脉动幅度增大时，两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别增大. 对于小幅脉动均匀动脉，用线性方法计算管壁切应力有较高的精度；而对于大变形 均匀动脉，则需要考虑非线性因素对管壁切应力的影响. 由于作为输入量的血液黏度、轴心 血流速度、压力波形和管径波形可在活体上通过无损伤或微损伤的检测方法得到， 所提出的计算切应力的方法为在体或离体研究切应力与动脉重建的关系提供了方法学基础.     

基于等效加速度的岩质边坡爆破动力稳定性

基于刚体极限平衡法及等效加速度计算方法,根据爆破振动峰值速度衰减规律和振动速度时程曲 线,以一定时间步长进行整个爆破过程不同时刻边坡稳定系数的分析,得到了相应爆破振动作用下的边坡动 力稳定性安全系数时程曲线。结果表明,基于等效加速度的边坡爆破动力稳定性分析,对稳定性较好的边坡, 爆破振动荷载作用下,稳定性安全系数一般降低2%~4%,振动主频率越高,则边坡稳定性系数越大,而常规 的折减系数法可能放大爆破振动对边坡稳定性的危害。     

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。