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.  

平头弹穿透金属靶板的模式分析

对平头弹穿透金属靶的剪切冲塞和绝热剪切冲塞两种可能穿甲模式进行 分析. 对作者先前提出的绝热剪切冲塞失效模型进一步发展，给出在绝热剪切冲塞条件下修 正的终点弹道极限和剩余速度. 对相关的平头弹穿甲Weldox E系列钢靶的试验数据进行分析比较，讨论靶板厚度、靶材强度对终点弹道性能的影响. 更 多实验数据证实：在一定靶厚时由于靶板的结构响应导致弹道极限附近存在剩余速度跳跃； 随靶厚和靶材强度增加，穿甲模式由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换.  

细长尖头刚性弹对金属靶板的斜侵彻/穿甲分析

给出细长尖头刚性弹（如尖卵、尖锥形）斜侵彻/穿甲金属靶的一个分析模型。在细长尖头弹对中厚度金属靶的斜穿甲中，韧性孔洞扩张为主要的穿甲机理；着靶初期，发生方向角的改变。研究表明，金属靶的斜穿甲仅由4个量纲一参数控制，即冲击函数I、弹体几何函数N、量纲一靶厚和撞击斜角。分析得到显式的侵彻深度、终点弹道极限、剩余速度和撞击方向改变角表达式。该模型可预期跳飞发生的临界条件。理论预期与实验结果吻合较好。  

刚性弹侵彻不同靶材的侵彻深度比较

根据刚性弹侵彻动力学的量纲一侵彻深度公式，通过比较刚性弹侵彻不同靶材的侵彻深度，提出不同靶材之间可以互相替换进行实验研究的思想。讨论了相同弹丸在相同撞击速度下对不同靶材的侵彻深度的比例关系。结合现有相关实验中的数据来验证和分析对于不同靶材量纲一侵彻深度公式的实用范围以及不同靶材之间互相替换的可行性，得出了具有工程实用意义的结论。  

刚性弹侵彻动力学中的第三无量纲数

采用侵彻阻力的一般表达式,计及速度一次项和减速度效应导致的附加虚拟质量项,利用量纲分析方法,明确定义控制刚性弹侵彻过程的第三无量纲物理量,即阻尼函数ξ.针对一般凸形弹头的侵彻问题开展分析,得到一般化的无量纲侵彻深度的计算公式;同时给出多个常用弹形的形状参数.针对已公开发表的不同弹形、靶材和撞击速度的侵彻实验数据,考察有无阻尼函数的理论预期,分析结果与实验数据一致.  

动能深侵彻弹的力学设计(I):侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上,进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围,可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力,分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶,分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限,并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。  

刚性弹侵彻深度和阻力的比较分析

根据刚性弹侵彻动力学的量纲一侵彻深度公式，分析了刚性弹侵彻过程中弹丸所受的靶板阻力，并从冲量角度讨论了常阻力假设适用的撞击速度阈值v_c，得出统一的表达式，求出了针对不同弹靶系统的相应v_c值。根据相关数值模拟结果，进一步验证了所求v_c值的正确性，同时也检验了不同侵彻深度公式的适用范围。  

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.  

Oblique Perforation of Thick Metallic Plates by Rigid Projectiles

Oblique perforation of thick metallic plates by rigid projectiles with various nose shapes is studied in this paper. Two perforation mechanisms, i.e., the hole enlargement for a sharp projectile nose and the plugging formation for a blunt projectile nose, are considered in the proposed analytical model. It is shown that the perforation of a thick plate is dominated by several non-dimensional numbers, i.e., the impact function, the geometry function of projectile, the non-dimensional thickness of target and the impact obliquity. Explicit formulae are obtained to predict the ballistic limit, residual velocity and directional change for the oblique perforation of thick metallic plates. The proposed model is able to predict the critical condition for the occurrence of ricochet. The proposed model is validated by comparing the predictions with other existing models and independent experimental data.The English text was polished by Keren Wang  

Soil Behavior at the Interface with a Rigid Projectile During Penetration

The motion and state of soil at the interface with a penetrating rigid projectile is studied by numerical solution of the problem of a cylindrical projectile which expands and at the same time moves translationally along its axis in soil. The soil behavior is described using the model of a compressible elastoplastic medium with transition to a plastic state depending on the pressure in it. It is shown that a thin layer of soil at the interface with the projectile nose should be set in motion and move together with the projectile without sliding. An analysis is performed of the validity of using the dry friction law to determine the shear stresses on the projectile surface during penetration. The heat release in the soil layer at the interface due to internal friction and its possible effect on the penetration are estimated. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 6, pp. 116–127, November–December, 2005.