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。     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

球形弹丸作用下钢/铝爆炸复合靶的抗侵彻性能

采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸对双层钢/铝、3层钢/铝/钢爆炸复合靶进行侵彻实验,借助LS-DYNA3D非线性有限元程序进行数值模拟,应用固连-失效模型反映层间结合,分析了不同组合形式对靶板抗侵彻性能的影响,并对毁伤机理进行初步分析.结果表明:靶板总厚度一定时,3层靶的抗侵彻性能优于双层靶;双层...     

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.     

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。     

子弹撞击碳化硼陶瓷复合靶试验与数值模拟研究

碳化硼陶瓷具有高硬度、低密度的特性，在装甲防护领域有广泛的应用前景，碳化硼陶瓷及其复合靶的冲击破坏特性是装甲防护领域近期的焦点问题之一。本文中基于剩余穿深方法，开展了碳化硼及复合靶抗12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻的试验研究。建立了碳化硼陶瓷复合靶抗弹数值模拟模型，根据试验研究结果验证数值模拟方法的可靠性。在此基础上，开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻碳化硼陶瓷复合靶的数值模拟研究，重点研究了靶板配置、背板厚度及种类对复合靶抗弹性能的影响。结果表明:靶板面密度相同的情况下，随着陶瓷厚度的增大，陶瓷复合靶的抗弹性能提高；陶瓷厚度相同时，陶瓷复合靶抗弹性能提升的效率随其面密度的增大而下降。陶瓷/PE (polyethylene)结构适合抵抗低速弹体的侵彻破坏，陶瓷/铝结构适合抵抗高速弹体的侵彻破坏。     

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和冲击成坑+钻孔区两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运 用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状 变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参 数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的 侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分 析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。     

非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律研究

高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明:侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。     

弹头部形状对侵彻影响的数值模拟研究

采用MOCL(Markoncellline)分界面跟踪算法,用二维多流体网格法的欧拉程序,对卵型头和平头动能弹侵彻混凝土平靶的过程进行了数值模拟研究,给出了侵彻过程中的物质变形情况及对应的破坏区域。基于计算结果,分析了弹头部形状对侵彻的影响。得出卵形头弹体的穿透过程是一种刺穿性模式,对靶孔周围破坏区域呈现出两头大、中间小的M型;而平头弹体则是一种挤凿性模式,对靶孔周围破坏区域较小。穿透同样的靶板,平头弹的侵彻耗能比卵形头弹侵彻耗能大,剩余速度小。     

球形破片侵彻下钢/铝复合靶板的失效模式与吸能机理

为研究复合靶板自身结构对其防护性能的影响，针对面密度相同的两层钢/铝、三层钢/铝/钢爆炸复合板以及均质钢板，采用系列弹道实验和LS-DYNA3D非线性有限元程序分析了复合靶板在球形破片侵彻作用下的失效模式和吸能机理，讨论了靶板层数、厚度和界面结合情况对失效模式的影响。研究结果表明:较其他因素而言，界面结合状态对靶板失效模式的影响最明显，当界面结合良好时，各层靶板均发生剪切冲塞破坏，而当结合界面发生拉伸失效时，较薄的背板以延性扩孔破坏为主；随着靶板总厚度的增大，靶板更易发生剪切冲塞破坏；当靶板的面密度和总厚度分别相等时，三层复合靶板的防护性能优于双层靶板。     

Analyses of the penetration process considering mass loss

Based on the dynamic cavity-expansion theory and momentum theorem, the key parameters of projectile penetrating into concrete target, i.e., the penetration time and time histories of DOP, deceleration, mass loss, instant mass loss rate and nose shape, are obtained by incremental calculation considering mass loss of projectile. The calculation results are consistent with the experimental results. Due to the mass loss and thus nose blunting effects, the pulse shape of deceleration may be quite different from that obtained in the analysis of a rigid projectile, and then the dissimilarity is analyzed. It is found that the pulse shape of deceleration is determined by the drag force and essentially determined by the performances of target and projectile, i.e., the shear strength of target, the Moh’s hardness of aggregate in concrete and the CRH value of projectile nose. Further analysis indicates that the pulse shape of deceleration is more sensitive to the performance of target than that of projectile.     

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。     

考虑头形磨损变化的动能弹侵彻深度研究

质量损失主要发生在弹体头部,讨论残余弹头形状因子的主要影响因素,给出了更为一般化的残余弹头形状因子与初始撞击速度之间的关系. 假设在整个侵彻过程中弹体头部形状因子及质量保持瞬时速度平方的线性关系,得到了能够考虑弹体头部质量磨损的侵彻深度计算方法. 弹体质量损失将导致其侵彻深度存在上限,该修正模型可以找出达到侵彻深度上限的弹体初始撞击速度.      

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。     

刚性弹丸撞击下混凝土板侵彻极限深度与痂斑极限厚度经验公式的验算

为了估算混凝土板在外来飞射体撞击下的侵彻极限深度与痂斑极限厚度,总结了以往试验与理论研究成果,评价了几种有代表性的经验公式,对4种具有不同特征参数的导弹撞击混凝土板时的侵彻极限深度与痂斑极限厚度进行了对比。结果表明,现有的经验公式估算侵彻极限深度的差异不大,而估算痂斑极限厚度有时差异较大。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.     

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土（reactive powder concrete,RPC）具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2 200 mm、宽2 200 mm、高1 260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。     

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。     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。