复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

球形弹对金属靶板侵彻问题的数值模拟

基于球形空穴膨胀模型(SCE),采用ABAQUS有限元商业软件并结合自主开发的ABAQUS用户子程序对球形弹侵彻金属靶进行了有限元3D数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无需划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角,并且考虑了弹体在运动过程中和靶体的接触分离效应。模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,模拟结果与实验结果吻合得很好。     

金属靶板侵彻数值模拟对比研究

数值模拟是研究靶板侵彻问题的重要手段。为对相关软件的选取提供参考,采用当前广泛使用的3种有限元软件（LS-DYNA、ABAQUS、PAM-CRASH）对同一个靶板侵彻实验进行了数值模拟,并比较了各模拟软件的优缺点。研究结果表明:3种软件的模拟结果与实验结果均基本一致;对平头形弹体侵彻的模拟效果普遍优于对半球形弹体的模拟效果;在弹体剩余速度、冲塞块速度2个方面,3种有限元软件的数值模拟结果与实验结果大致吻合。其中,ABAQUS和PAM-CRASH对上述特征量的模拟结果更接近实验结果,平均相对误差普遍小于15%,且PAM-CRASH多数模拟结果误差都小于10%;而在弹体变形量上,3种软件的模拟结果均与实验结果相差较大。此外,LS-DYNA在模拟时的鲁棒性较好,模拟结果较稳定,PAM-CRASH对参数设置最敏感,ABAQUS在计算时间和效果上较平衡。     

叠层靶板弹击实验及弹道侵彻机理的数值模拟研究

为了提高军盔等防护装备的防弹性能,采用非线性动态显式有限元分析软件ANSYS/LS DYNA5.6.1模拟了几种复合材料防弹靶板的抗弹道侵彻过程,弹头采用标准1.1g模拟弹片。结合v50弹击实验分析了靶板在此类弹击下的破坏机理和吸能方式,对靶板的选材、铺层顺序、层数和制造工艺等提出合理化建议,主要是沿靶板厚向应采用非均匀的三段式结构和工艺。     

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．     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

应用仿生原理设计遮弹层及其抗侵彻数值模拟分析

通过对木、贝壳珍珠层等自然复合材料强韧化的细观机理研究，应用仿生学原理，提出了一种新型蜂窝状钢管约束混凝土遮弹层结构；并对构成该新型遮弹层结构中的单个构件一钢管混凝土短构件抗侵彻的机理进行了研究；然后，应用IS—DYNA程序对单个钢管混凝土短构件抗侵彻的性能进行了数值模拟；通过仿真计算，表明钢管混凝土短构件比同强度的素混凝土构件的抗侵彻能力有较大提高。因此，由钢管混凝土短构件构筑的仿生遮弹层，将会增加其抗侵彻能力。     

轻质金属点阵夹层板热屈曲临界温度分析

本文针对均匀温度场下四边简支和四边固支金属点阵夹层板的临界热屈曲温度进行了求解和参数影响分析。将点阵夹芯等效为均匀连续体,并且将夹层板的剪切刚度近似为点阵夹芯的抗剪切刚度,忽略夹芯的抗弯刚度且认为夹层板主要由面板来提供抗弯刚度。对于无法获得解析解的四边固支条件,通过对未知变量进行双傅里叶展开的方法求解了Ressiner夹层板模型的临界屈曲温度,理论分析结果与有限元计算结果吻合良好。进一步分析了不同边界条件、点阵胞元构型、点阵材料相对密度、面板厚度等对临界屈曲温度的影响规律。     

抗侵彻模型试验的模拟条件

本文针对某新型遮弹防护层在理论分析和试验研究上的实际困难，根据相似理论，论证并导出了模型模拟试验的必要条件，使原型与模型的相应待测量之间具有简单的线性比例关系，从而为正确进行模型试验研究奠定了基础     

钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能研究

结合穿甲实验,基于复合材料细观有限元模拟,系统开展针对钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能的研究,并与复合材料长杆弹进行对比分析。结果表明,相对于复合材料长杆弹显著的穿甲“自锐”行为和优异的侵彻性能,复合材料分段弹体在侵彻过程中的“自锐”特性有所减弱,且弹体结构容易发生分散,进而导致弹体侵彻能力明显降低。另外,分段数目和分段间隔等因素对复合材料分段弹体的侵彻性能具有一定影响,但总体而言,不同构型分段弹体的侵彻能力均弱于复合材料长杆弹。

     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES OF THE ANTI-PENETRATION PERFORMANCE OF SANDWICH PANELS WITH ALUMINUM FOAM CORES

Effects of face-sheet thickness and core thickness of sandwich panels, and shape of projectiles on the penetration resistance of sandwich panels were discussed, while typical penetration failure modes were presented. It was shown that the anti-penetration performance of sandwich panels was enhanced with the increase of face-sheet or core thickness; The penetration resistance of sandwich panels was shown to be strongest to blunt-shaped projectile impacts,weaker to hemispherical-nose-shaped projectile impacts, and weakest to conical-shaped projectile impacts. The corresponding numerical simulation was carried out using the finite element code LS-DYNA V970. Numerical results showed that the penetration time decreased with the increase of projectile impact velocity.     

碳纤维复合材料金字塔点阵结构制备工艺及力学性能研究

本文针对碳纤维复合材料点阵结构,从结构设计、制备工艺、平压性能、剪切性能等方面对其进行试验表征及理论模型研究.设计四种成型碳纤维复合材料金字塔点阵结构的思想,并采用一种新的制备工艺即预浸料二次成型工艺制备试样,试验结果表明,该工艺能最大程度发挥纤维增强潜力.通过实验揭示在平压载荷下杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层脱胶失效机理,在剪切载荷下杆件屈曲、杆件分层、杆件脱胶失效机理,基于结构力学基础原理,建立相应理论模型,经过修正之后的理论模型均能较好预报典型载荷下力学性能.本文研究发现碳纤维复合材料金字塔点阵结构具有密度低、比强度大、比刚度高等优点,且芯子中具有大量空间,可以制备轻质多功能结构.     

超声速和高超声速进气道的数值模拟

本文讨论超声速和高超声速进气道的数值模拟问题,其中包括国内外对进气道问题的一些主要进展、方向和今后预研的动态,目的在于弄清流场形成的机理,为高速飞行器进气道的气动设计提供理论依据。      

超高速碰撞效应的数值模拟

本文简要介绍和总结了有关超高速碰撞效应数值模拟研究的现状,讨论了数值格式和处理以及物理模型两个方面所取得的进展和存在的问题。      

三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数

推导了三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数,为验证所推导的弹性常数的合理性,用NASTRAN有限元计算程序对两种模型进行了静力计算比较,一种是用所推导的弹性常数将夹心等效后,以层合板的形式进行计算的模型,另一种是对整个结构直接采用板单元进行计算的模型.计算结果表明:两种模型结果吻合良好.     

CUBLIC SPLINE SOLUTIONS OF AXISYMMETRICAL NONLINEAR BENDING AND BRCKLING OF CIRCULAR SANDWICH PLATES

Cubic B-spline taken as trial function, the nonlinear bending of a circular sandwich plate was calculated by the method of point collocation. The support could be elastic. A sandwich plate was assumed to be Reissner model. The formulae were developed for the calculation of a circular sandwich plate subjected to polynomial distributed loads,uniformly distributed moments, radial pressure or radial prestress along the edge and their combination. Buckling load was calculated for the first time by nonlinear theory. Under action of uniformly distributed loads, results were compared with that obtained by the power series method. Excellences of the program written by the spline collocation method are wide convergent range, high precision and universal.     

脆性陶瓷靶高速侵彻/穿甲动力学的研究进展

近10年来, 有关陶瓷的材料特性和陶瓷及陶瓷复合靶的高速侵彻$\!/\!$穿甲动力学研究已成为国际冲击工程界的热点研究领域. 相关研究有着现实的军事需求和应用背景. 国内在该领域的研究工作相对较少. 本文着重给出陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻$\!/\!$穿甲动力学的国外研究现状.对陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻$\!/\!$穿甲的实验方法、作用机理和理论模型等进行综述, 介绍空腔膨胀模型在陶瓷侵彻力学中的应用以及脆性材料高速侵彻效应中的失效波效应. 文章最后给出近期可开展的工作建议.      

穿甲/侵彻问题的若干工程研究进展

作为爆炸力学的一个分支,穿甲/侵彻力学是研究高速/超高速弹体撞击靶体后,钻入或穿透靶体的力学, 又称终点弹道学.综述作者及其合作者最近几年在穿甲及侵彻力学领域的若干工程研究工作,包括混凝土靶的侵彻和穿甲、控制刚性弹侵彻动力学的无量纲数、金属靶穿甲的理论模型、钻地弹的相关力学问题、穿甲弹体的破坏与失效等.同时也给出该领域的国外最新研究工作进展.      

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.      

MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟. 理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度. 数值上,通过空间HLLE格式、LU--SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst--k\omega双方程模型. 研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用. 施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3) 在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小, 但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.