超高速撞击下碎片云的OTM分析

空间碎片超高速撞击是典型的高温、高压、高应变率的极限力学问题，涉及材料复杂的动态响应，对传统的数值方法提出了巨大挑战。最优运输无网格（OTM）方法通过有机结合最优运输时间积分理论、局部最大熵无网格近似、物质点抽样、基于物理的裂纹扩展算法以及大规模并行计算策略，克服了传统数值方法瓶颈，在理论上保证了不同形式能量耗散的自主耦合分配，为超高速撞击仿真预测提供了高效的解决方案。采用基于OTM方法自主研发的极限力学仿真软件ESCAAS，对不同质量（3、10 g）的铜飞片以不同撞击角度（5.4°、11.7°）和不同撞击速度（5.55、5.12 km/s）撞击铝合金靶板的过程进行数值模拟，获得碎片云的形貌、靶板穿孔孔径等结果，与实验测量数据吻合良好，显示出OTM方法及ESCAAS软件可以作为超高速撞击的有力数值分析手段。     

刚性尖头弹垂直撞击金属厚靶板极限速度分析

研究了刚性尖头弹垂直撞击金属厚靶板扩孔冲塞型和延性扩孔型穿孔模式,提出分析最小穿透能量的两阶段工程模型．应用功能原理和圆柱形空腔膨胀理论得到第一阶段侵彻扩孔耗能．考虑靶板背面自由边界的影响,应用Taylor扩孔理论计算延性扩孔型穿孔第二阶段耗能;考虑加速塞块和剪断塞块所损耗的能量,由动量和能量原理导出扩孔冲塞型穿孔第二阶段剪切冲塞耗能．由两阶段总的耗能最小确定第一阶段的侵彻深度,从而得到最小穿透能量的解析解．与铝合金和装甲钢靶板弹道试验数据比较表明,该文两阶段模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

高速碰撞下圆柱壳自由梁的穿孔特性

利用二级轻气炮加载,进行了球状2A12铝弹丸垂直撞击圆柱壳自由梁实验。并进行了弹丸速度、圆柱壳直径和壁厚等因素对穿孔直径影响的数值模拟,数值模拟结果和实验结果基本吻合。通过量纲分析和数值模拟结合,推导了穿孔直径与相关影响参数的经验关系式。研究结果表明:当圆柱壳直径和厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径在径向和轴向都随着弹丸速度增大而增大;当弹丸速度和圆柱壳厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径随着圆柱壳自由梁直径的增大而减小;当弹丸速度和圆柱壳直径不变时,穿孔直径随着圆柱壳厚度的增大而减小。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

基于最优运输无网格法的Whipple屏超高速撞击数值模拟

Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题,本文采用最优运输无网格法（optimal transportation meshfree, OTM）对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法,其特点是运用最优运输理论对时间进行离散,采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散,利用局部最大熵（local maximum entropy, LME）方法得到插值函数,基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟,通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比,验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性;然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟,将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比,结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径,也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9～4.2倍,失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

充水压力管道受弹体冲击破坏的实验研究

报导了厚壁管 (外径D =4 5mm ,壁厚H =3mm)和薄壁管 (外径D =4 4mm ,壁厚H =1mm)两组充水压力管道的撞击穿透破坏实验结果 .借助落锤装置实现对三跨连续管梁撞击加载 ,冲头形状有平头、半球头和 90°圆锥头三种 .实验为内空管和管内充水加压 0MPa ,5MPa ,10MPa ,15MPa和 2 0MPa六种工况 .实验得到了不同工况下的破坏模式 ,同时记录了撞击过程中管内压力变化时程曲线及冲击力时程曲线 .实验结果表明 ,内充介质显著降低了薄壁管的穿透能量 ,而对厚壁管的降低程度较小 .随内充介质的压力增高 ,穿透能量也有不同程度的降低 .     

气压对压力容器前壁超高速撞击损伤的影响

充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏,会导致气体泄漏或爆炸,内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象,开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算,分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理,讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明:前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关,内压越高,弯折程度越轻;穿孔直径与内充气体压强正相关,但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响;穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响,也与容器壁内应力波的传播有关,与内压成正比。     

厚壁压力管道侧向冲击破坏的实验研究

本文报导了三跨连续压力管道侧向受平头、半球头及锥头弹体冲击破坏的实验研究结果,管的外径为45mm,厚度为3mm,内充液体压力分别为0MPa,5MPa,10MPa,15MPa和20MPa五级,获得了不同工况下的临界破坏速度及相应的破坏模式,实验过程中测量并记录了圆管的变形、冲击力时程曲线。实验结果表明,内充介质的存在降低了临界破坏能量,同时临界破坏能量随内充介质压力的增加而减小。     

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。     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求,设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC）,开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上,基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟,研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用,分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明,在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下,JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙,形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞;聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果,爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围;墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响;随着墙体厚度增大,背面漏斗坑直径逐渐减小,深度却逐渐增大。     

钨球对高硬度钢斜侵彻效应

为研究高硬度钢板抗不同着角钨球的侵彻性能及破坏模式,通过弹道枪进行了?8 mm、?11 mm钨合金球形破片以0°、20°、40°着角撞击厚度为6 mm、8 mm的高硬度钢板试验,得到了极限贯穿速度v₅₀;分析了钨球轴向径向变形及靶板失效模式与撞击速度的关系,发现高硬度钢板失效模式主要为压缩开坑破坏和沿厚度方向剪切破坏。采用有限元方法对试验进行了模拟,验证了数值模型及参数的合理性,并运用数值模拟方法研究了撞击着角对靶板吸能模式影响,结合试验数据,修正已有极限贯穿速度计算公式。结果表明:随侵彻着角增大,极限贯穿速度提高,且着角越大,极限贯穿速度增长越快;随着角增大,靶板吸能模式逐渐由压缩开坑向剪切冲塞过渡,且着角大于50°时,剪切冲塞耗能将超过压缩开坑耗能;修正后极限贯穿速度计算公式适用范围更广、精度更高,具有较好工程应用价值。     

3D numerical simulations of ductile targets subjected to oblique impact by sharp nosed projectiles

Three-dimensional numerical simulations have been performed to study the behaviour of ductile targets subjected to normal and oblique impact by sharp nosed cylindrical projectiles. Twelve-mm-thick Weldox 460 E steel targets were impacted by 20 mm diameter projectiles with conical nose and 1-mm-thick 1100-H12 aluminum targets were impacted by 19 mm diameter ogive nosed projectiles. In both the cases, the targets were impacted at 0°, 15°, 30°, 45° and 60° obliquity or until the ricochet of the projectile occurred. The ballistic limit of 12 mm steel targets was found to be almost same up to 30° obliquity and thereafter it increased sharply. However, in the case of 1 mm aluminum targets a consistent increase in the ballistic limit was observed with increase in obliquity. The critical angle of projectile ricochet was found to increase with increase in impact velocity. Both the targets failed through ductile hole enlargement. Petal formation occurred in the aluminum targets and four petals were generally formed in each plate, however, the size of the upper two petals decreased and that of the lower two petals increased with increase in target obliquity. In the case of the steel targets the perforation occurred through the formation of a hole enclosed by a bulge. Both the bulge and the hole were circular in normal impact and elliptical in oblique impact. Petal formation in steel targets was observed at 60° obliquity. The ABAQUS/explicit finite element code was used to carry out numerical simulations.     

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。     

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。     

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理,建立了射孔弹-空气-页岩三维模型,设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°,壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm,材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明：在射孔弹结构中,随着药型罩锥角的减小,射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内,适当减小药型罩的壁厚,可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响,其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小,钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大,铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现,页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段,减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度,可以促进页岩孔裂隙发育程度。     

大长细比结构弹体侵彻2024-O铝靶的弹塑性动力响应

为研究大长细比结构弹体在撞击典型硬目标早期的结构动力学响应,利用57轻气炮进行了直径1.4 cm、量纲一壁厚0.1和0.15、长细比8和12、头部系数3和4.5的卵形空心弹体对2024-O铝靶的侵彻实验研究,利用高速摄影系统记录了弹体撞靶过程,观察到大长细比弹体垂直撞击硬目标过程中的局部墩粗、塑性屈曲2种结构破坏模式,以及斜侵彻过程中的整体塑性弯曲、弯曲与墩粗耦合、弯曲与屈曲耦合3种结构破坏模式和实时动力学响应过程。基于对指数硬化材料的空腔膨胀理论建立了弹体垂直侵彻模型,给出了在轴向及横向载荷交互作用下计算刚塑性自由梁危险截面屈服函数的控制方程,计算值与实验结果吻合较好。