侵彻钢筋混凝土过程中弹丸过载特性的实验研究

实验测试了侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的过载情况,得到侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成四个部分,每个部分代表弹丸与钢筋混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段弹丸与钢筋混凝土相互作用的特点。实验结果表明,含筋率为2%的钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力明显高于含筋率为1%的钢筋混凝土靶板。研究结果为理论模型的建立打下了基础,也可为相关弹药和防护工程的优化设计提供参考。     

钢板混凝土复合靶抗贯穿性能的理论与数值分析

为了给防护结构的优化设计提供参考,基于动能守恒定律,推导出了后附薄钢板复合靶的弹体剩余速度公式及弹体剩余动能和初始动能之比Er/E0。利用ANSYS/LS-DYNA对已有文献的侵彻试验进行模拟,分析了钢板布局对复合靶抗贯穿性能的影响,对比了素混凝土靶、钢筋混凝土靶和复合靶的抗贯穿性能。结果表明:由BRLCEA-EDF转换公式得到的剩余速度预测值精度最高,其推导的Er/E0可用于评价钢板混凝土复合靶的抗贯穿性能;复合靶的抗贯穿性能随着钢板的后移而逐渐增强,其中工况0-3(靶板前后表面铜板厚度分别为0mm、3mm)较工况3-0(靶板前后表面铜板厚度分别为3mm、0mm)提高约10%;含筋率为0.8%时,复合靶的抗贯穿性能较素混凝土靶和钢筋混凝土靶分别提高约11%和4%,在靶板损伤中,复合靶能够抑制扩展裂缝的产生,后附钢板发生沿侵彻方向的凸起,并呈花瓣状开裂,但它减慢了后部弹坑的形成,提供了更大的侵彻阻力。     

穿甲机理的数值研究

为了深入开展穿甲机理的研究,本文对三组穿甲问题——钨弹以1000m/s打钢靶,钢弹以1000m/s打钢靶,钢弹以1000m/s打铝靶,作了数值研究,应用流体弹塑性力学模型,二维不定常欧拉型编码CPG-LTDL code进行计算,计算结果与试验对比符合良好。 对计算结果的分析指出:(1)弹丸侵彻能力不是取决于它的整体动能,而是取决于弹靶接触面上的压力,当靶板参数和弹材固定时,可用弹丸初始面积比动能来标志,(2)铝靶在抗侵彻过程中呈流体性态,高强度铝钣的抗侵彻性能不如普通的A3钢钣,因此应致力于研制具有抗高压、耐高温的新型铝材,而不是单纯追求提高铝材的常规强度。     

钢筋混凝土穿甲的数值模拟

比较了LS-DYNA中关于钢筋和混凝土相互作用的不同处理方式（即接触方法和耦合方法）对钢筋混凝土穿甲结果的影响。数值模拟S.J.Hanchak 等关于钢筋混凝土靶的穿甲实验,给出了弹靶的变形破坏过程。讨论了穿甲钢筋混凝土靶的撞击位置对终点弹道性能的影响,加深了钢筋对侵彻作用的认识。所确定的数值模拟方法可用于进一步讨论钢筋结构与尺寸、配筋率等参数对侵彻影响等问题的研究。     

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。     

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。     

弹体侵彻刚玉块石混凝土复合靶体的数值分析

在先前混凝土三维细观模型和块石遮弹层三维模型研究的基础上,研究了小直径炸弹侵彻条件下,刚玉块石遮弹层的抗侵彻性能。重点分析了弹体侵彻条件对侵彻深度和弹体偏转角度的影响以及遮弹层构造参数对侵彻结果的影响;详细探讨了弹体命中速度、命中角度和弹着点位置,以及刚玉块石大小、体积率和填充混凝土强度对遮弹层抗侵彻性能的影响。与普通块石遮弹层相比,刚玉块石混凝土复合遮弹层具有更好的抗弹体侵彻性能。     

花岗岩块石浆砌结构抗弹丸斜侵彻/冲击性能实验研究

通过实弹射击试验,研究了花岗岩-钢筋混凝土复合靶板的抗侵彻/冲击性能.结果表明,该靶板具有较好的抗侵彻/冲击能力.与同等厚度的普通钢筋混凝土靶板相比,在射弹特性和撞击条件相同的情况下,该结构抗侵彻/冲击能力明显增强.对薄靶板而言,冲剪破坏为主要的破坏形式,增强抗剪能力,能够提高靶板抗侵彻/冲击能力.当弹体速度不高时,局部作用和结构整体响应之间一般有很强的耦合.该花岗岩-钢筋混凝土靶板局部既有一定的刚度,整体也具有一定的塑性,因此具有较好的抗弹体侵彻/冲击能力.这种结构施工简单,取材方便,造价相对低廉,具有一定的应用前景.     

月牙形空腔结构金属靶的抗弹性能分析

为提高金属靶的抗弹性能,设计了一种含有月牙形空腔结构的金属靶。利用ABAQUS软件对月牙形空腔结构在12.7 mm穿甲燃烧弹弹芯侵彻下的弹体偏转性能进行了数值模拟研究,讨论了月牙形状、弹着点和空间排布对弹体偏转效果的影响。结果表明:月牙形状对弹体的偏转效果有显著的影响;空腔结构在不同弹着点表现出不同的弹体偏转性能,处于空腔胞元最薄弱处附近的弹着点弹体偏转角度明显小于其他位置;空腔胞元空间排布的非对称化处理能够提升空腔结构对子弹的偏转效果。     

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对穿甲弹准定常侵彻半无限厚靶 板的问题,提出了一个考虑应变率效应的包括带有蘑菇头的未碎弹体、弹的破碎及扩孔区、 靶的破坏和扩孔区的简化侵彻模型. 通过侵彻过程中简化模型各部分的力学守恒定律,得到 了侵彻问题的简化常微分方程组,并以分析和数值计算相结合的方法分析了弹、靶强度的应 变率效应及弹破碎应变的应变率效应对侵彻效果的影响. 数值计算结果跟实验结果对比基本 一致.     

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。     

刚性平头弹正侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型

本文基于素混凝土侵彻理论，将钢筋混凝土中钢筋的失效模式简化为弯曲剪切失效后，建立了刚性平头弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型，侵彻深度的计算结果与Young公式吻合良好，表明本文提出的理论模型可较为合理地预测侵彻深度。进一步分析了不同着靶点的位置对弹体侵彻的影响，结果表明:当弹体直径与钢筋网眼尺寸的比值小于1时，弹体撞击到网眼中心处侵彻深度最大；当弹体直径与网眼尺寸的比值大于1时，最不利着靶点位置视其比值而定。最后，基于防护角度的最不利工况，建立了侵彻深度的工程计算公式。     

Stress analysis of concrete and reinforced-concrete slab structures under a high-velocity impact

A mathematical model is developed, which describes the behavior of reinforced concrete under high-velocity impact and explosion conditions within the framework of mechanics of continuous media. The problem of a model projectile penetrating into a layered target consisting of two concrete slabs separated by a sand layer and blasting of an explosive charge encased in the embedded projectile is solved in the three-dimensional formulation by the finite-element method. The effect of reinforcement on penetration and failure of reinforced-concrete slabs is studied by means of mathematical simulations. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 3, pp. 165–173, May–June, 2005.     

运用极限荷载法研究钢筋混凝土板低速侵彻效应

基于不可压缩刚塑性材料模型和滑移线场理论,获得了单一容许速度场条件下刚性弹低速侵彻半无限介质的阻力函数。在此基础上,基于多速度容许场得到了刚性弹侵彻有限厚度靶的三阶段阻力曲线,并提出了震塌与贯穿的临界条件,通过与实验结果、UMIST公式及古比雪夫的对比,验证了本文方法在钢筋混凝土板低速撞击问题中的适用性,分析了弹头形状、冲击因子和钢筋阻力系数等参数对临界震塌(贯穿)厚度的影响。     

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

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。     

动能深侵彻弹的力学设计(Ⅱ):弹靶的相关力学分析与实例

介绍了作者关于动能深侵彻弹研究的部分工作。单纯动能弹侵彻存在侵彻深度上限，在技战术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可令动能深侵彻弹尽可能实现最大侵深。其中弹体结构的力学设计尤为重要，如弹形、弹材、质量比、长径比等。进一步开展弹体结构设计的力学研究，包括头部设计、战斗部后盖、装填比、弹形和弹材、侵彻效应中的尺度律、混凝土靶的设计，最后给出若干实例。     

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。