基于细观混凝土模型的刚性弹体正侵彻弹道偏转分析

为研究混凝土细观因素对刚性弹正侵彻弹道偏转的影响,基于骨料随机投放的思路建立混凝土三维细观几何模型,分析刚性弹正侵彻过程中发生弹道偏转的原因及可能影响因素,定量讨论混凝土细观因素对弹道偏转的影响。结果表明:混凝土细观数值模型可以较好地反映弹体正侵彻过程中弹道偏转等典型物理现象,且细观参数对于弹体弹道偏转有显著影响。刚性弹正侵彻细观混凝土时,存在一个弹体直径/骨料最大粒径比的特征比值。     

数值建模时骨料对混凝土侵彻及毁伤问题的影响

采用二维拉格朗日弹塑性流体力学有限元程序LTZ-2D分析了含骨料混凝土的数值建模对混凝 土侵彻及毁伤问题的影响。对比等效混凝土,在混凝土骨料尺寸相对弹体尺寸较小的情况下,对于薄靶侵彻, 低速撞击时骨料对弹体有阻碍作用,而速度较高时,由于靶板背面毁伤面积增大的原因,弹体的剩余速度增 大;对于厚靶侵彻,含骨料混凝土的数值建模对弹体的侵彻过程影响不大。     

细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型

为研究细观混凝土靶的侵彻规律,采用LS-DYNA软件对刚性弹丸侵彻两相混凝土靶进行了数值模拟。结果表明,影响靶板抗侵彻能力的主要因素是砂浆种类、粗骨料种类和粗骨料体积分数;混凝土靶中的砂浆与对应的砂浆靶中的砂浆产生的阻力接近;混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石。通过扩展Forrestal阻力方程,建立了细观混凝土侵彻深度模型,模型和数值模拟一致性很好。     

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。     

结构变形对深侵彻弹体偏转的影响

钻地弹是打击地下工事的利器,弹道偏转是降低钻地弹侵彻效率的重要原因之一,弹道偏转的本质原因是弹体偏转,亟需快速且精确地预测多侵彻姿态下弹体的侵深与偏转角度。基于微分面力法,将计及有限大靶所有自由面影响的靶体响应力函数加载在弹体表面,快速模拟了弹体的运动和变形。靶体响应力函数和数值计算模型通过了试验校核。利用刚性弹与可变形弹的运动和变形的对比,剥离并分析了结构变形对弹体偏转的影响。分析显示,结构变形是可变形弹偏转的驱动源之一,其可改变弹体外力矩,并影响弹体瞬时偏转速度。相同条件下,可变形弹偏转角度大于刚性弹。随着弹体长径比减小、着靶速度降低及侵彻斜角增大,刚性弹偏转角度增大;而随着弹体长径比增大、侵彻斜角增大及弹体壁厚减小,可变形弹偏转角度增大。着靶速度对可变形弹偏转角度的影响不单调。当着靶速度不高于800 m/s、侵彻斜角不小于20°时,着靶速度越高、侵彻斜角越大、弹体长径比越大、壁厚越小,则结构变形对弹体偏转的贡献越大。为此,建议选择可变形弹分析非理想侵彻弹体的运动和变形,以提高分析精度与合理性。     

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。     

刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型

为描述刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体姿态变化，针对已有贯穿模型存在的问题，在斜侵彻贯穿过程中考虑了弹体转动惯量对姿态偏转的影响，根据弹体贯穿靶板后的成孔特性重新假设了背靶面崩落块形状，并在弹体贯穿出靶的剪切冲塞阶段引入了弹体姿态二次偏转机制，从而建立了刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型，同时给出了混凝土薄靶、中厚靶和厚靶的分类方法。多种侵彻状态的理论模型计算结果均与实验测量结果吻合较好，表明本文理论模型可有效预估弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体出靶姿态。     

基于物质点法不同头部形状弹体侵彻动靶过程的仿真研究

为分析弹头形状对动靶侵彻性能的影响以及解决有限元法模拟子弹侵彻问题时存在的网格畸变问题,本文采用物质点法建立了弹体侵彻靶板的数值模型。利用编写的程序对卵形弹侵彻静靶过程进行了仿真,并将仿真结果与实验测试结果进行了对比分析。结果表明,利用物质点法仿真子弹侵彻过程是可行和有效的。通过对平头弹、球形弹、卵形弹侵彻动靶过程的模拟仿真,得到了弹体贯穿动靶后弹体的剩余速度、偏转角、扭转角、靶板的毁伤效果。所得结果显示:当靶板速度较低时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最小;当靶板速度较高时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最大;弹体偏转角和扭转角均随动靶速度的增加而逐渐增大,且卵形弹的偏转角和扭转角均大于平头弹和球形弹;当动靶初速度小于300m/s时,卵形弹的侵彻能力较强;当动靶初速度大于300m/s时,球形弹的侵彻能力较强。本文研究对弹丸侵彻和装甲防护等军工领域有一定的指导作用。     

动能弹侵彻素混凝土板的数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two Dimensions)模拟了刚性弹体侵彻和贯穿素混凝土板的过程．梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型．在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样．每种类型梁单元的力学性质均按韦布尔(Weibull)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化．利用此模型分析了弹体侵彻下混凝土板的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下各时刻混凝土和弹体内部速度场．通过将计算结果与实验数据及LS—DYNA程序模拟结果相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题．     

撞击姿态对构型弹体非正侵彻多层间隔钢靶弹道特性的影响规律

为深入认识构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的弹道偏转规律，结合数值模拟和理论分析，研究了构型弹体在不同撞击姿态下侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，其中引入弹体侧向接触力和侧向偏转力矩等参量，着重分析撞击着角和攻角对弹道特性的影响规律。结果表明：构型弹体非正侵彻过程中，在纵向发生阶梯式速度衰减，但变化较小；同时，由于穿靶过程中受到侧向接触力及其偏转力矩的作用，在侧向产生显著弹道偏转。撞击着角决定弹体所受外载荷的非对称程度，着角越大，弹体偏转越严重；撞击攻角则主要影响弹肩穿靶时的径向速度和弹尾穿靶时的触靶位置，二者共同影响弹道轨迹，因而存在使弹体偏转程度发生转折的临界攻角。相比于侵彻单层靶，构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的显著特点为弹道偏转存在累积效应，且侵彻前一靶板的弹道偏转情况显著影响到侵彻后一靶板时的弹靶作用特征，进而导致弹道偏转与弹靶接触力互相耦合。相关研究对预测构型弹体侵彻多层间隔靶板性能、优化弹体构型和撞击姿态等具有较好的指导价值。     

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...     

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.     

弹体对超高性能混凝土侵彻深度的研究

为了评估超高性能混凝土（UHPC）的抗侵彻性能,对UHPC靶板进行了侵彻试验与数值模拟。首先,利用Φ35 mm火炮对抗压强度为160 MPa的UHPC靶板开展了216～345 m/s速度下的弹体侵彻试验,结果表明：随着弹体速度的增加,侵彻深度与开坑直径皆有明显增加。随后在数值模拟过程中,确立了UHPC的RHT材料模型参数,为了验证材料模型的有效性,采用单轴压缩与霍普金森压杆试验结果对三维有限元模型进行了验证,模拟结果与实验结果吻合良好,表明参数选取科学合理。最后,对弹体侵彻UHPC的过程进行数值模拟,参数化分析了UHPC抗压强度、弹体质量、侵彻速度、弹径、弹头形状对UHPC侵彻深度的影响,并据此推导出弹体对UHPC侵彻深度计算公式。     

在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性

基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。     

考虑尺寸效应的典型钻地弹侵彻混凝土深度分析

准确评估精确制导武器的侵彻深度可为防护工程设计提供重要参考。已有研究工作大多集中于中、小口径弹体和普通强度混凝土靶体,且由于尺寸效应的影响使得现有计算方法对预测大口径典型钻地弹侵彻深度的适用性值得商榷。首先,综合分析了已有弹体侵彻试验数据,发现引起侵彻深度尺寸效应的主要原因是混凝土粗骨料粒径未随弹体尺寸进行同比缩放;其次,开展了5发100.0和203.0 mm口径缩比钻地弹侵彻C40和C100混凝土的试验和数值模拟分析,提出并验证了大口径弹体侵彻混凝土深度的实用化有限元计算方法;然后,确定了美军5种典型钻地弹在不同侵彻速度（100~600 m/s）下对上述2种强度混凝土靶体的侵彻深度,并对现有7种计算公式的适用性进行了评估;最后,基于已有大量试验数据拟合确定了侵彻深度随混凝土强度的衰减规律,并计算得到340 m/s侵彻速度下5种典型钻地弹对C40~C200混凝土的侵彻深度。     

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。     

某9 mm手枪弹侵彻MDF的弹道特性

为探究某9 mm手枪弹侵彻木质靶板的弹道特性,以中密度板（medium density fiberboard, MDF）为研究对象进行了弹道侵彻试验,通过减装药和角度可调节靶架获得了不同速度和弹着角下弹头的剩余速度和侵彻深度等关键信息;通过Poncelet阻力模型对试验结果进行了分析,并得出侵彻深度与侵彻速度之间的关系式;建立了手枪弹侵彻MDF的数值计算模型,对不同速度和不同弹着角的弹头偏转行为进行了研究,并得到了临界跳飞角度与着靶速度之间的函数关系。结果表明,弹头正侵彻25 mm厚度的MDF时,能量损失量与入射速度具有线性相关性;弹头侵入MDF时均会产生负方向偏转,弹头速度降低或者弹着角减小均会使负方向偏转角度增大,当弹头低速穿透MDF或者弹着角小于45°时,弹头侵彻MDF过程中会产生较大角度偏转,在射出MDF时出现弹道转正现象。     

冲击荷载作用下混凝土动态力学性能数值模拟研究

利用直锥变截面式Φ74 mm SHPB对混凝土和水泥砂浆材料进行了三种不同冲击速度下的动态力学性能实验,分析了其冲击速度对混凝土力学性能的影响规律。应用刚性板冲击加载的方式进行了混凝土动力响应的数值模拟研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。数值模拟表明：混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,混凝土是一种率敏感材料;随着粗骨料体积含量增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积含量为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑     

混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析

高速侵彻时，弹靶之间发生强烈的局部作用，引起弹体头部发生质量侵蚀，从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中，混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析，进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料，引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ₁代替骨料的莫氏硬度H，给出无量纲骨料修正因子β，建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好，更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟，以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据，对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分，得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外，还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响，以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明，随着弹体侵彻速度的增大，混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大，粉碎区半径增大，而破裂区半径却减小；当侵彻速度达到某一特定值时，破裂区将会消失。