孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。     

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟北大核心CSCD

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。     

双层A3钢靶对平头杆弹的抗侵彻性能研究

 钢板被广泛用于构建防护结构,大量文献报道了单层金属靶的防护性能,而对双层金属靶,特别是大间隙双层金属靶,报道的却很少。在轻气炮上进行了平头杆弹体正撞击由两层5 mm厚A3钢板组成的接触式和具有200 mm间隙的间隙式双层靶的实验研究,得到了两种结构的初始-剩余速度曲线。实验表明：（1）两种形式双层靶均发生了充塞剪切;（2）接触式双层靶的弹道极限是5 mm单层A3靶的1.92倍;（3） 间隙式双层靶的抗侵彻性能具有较大的分散性,通过高速摄像和对回收靶板的分析表明,该分散性产生的原因是,弹体贯穿第一层靶后存在两种典型弹道状态;（4）间隙式双层靶存在两个弹道极限;（5）接触式双层靶的弹道极限接近或者大于间隙式双层靶的弹道极限。使用ABAQUS/EXPLICIT有限元软件进行了相应的数值模拟,得到了与实验一致的现象和结果。     

爆炸反应装甲防护包络的数值仿真北大核心CSCD

为了得到爆炸反应装甲的防护包络(即爆炸反应装甲与射流的接触面上不同弹着点处的抗弹性能),应用三维有限元分析软件LS-DYNA,对弹着点处于不同位置时反应装甲的抗弹性能进行数值仿真,并开展对比实验。结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好。不同弹着点处的抗弹性能存在较大差异,抗弹性能最优区并非反应装甲的对称中心或其附近区域,而是距反应装甲底端22.7倍及46.9倍射流直径处;反应装甲的有效抗弹区域约占65.8%,有效抗弹区内的抗弹性能较边界区提高约37.5%,反应装甲下部的防护效能较上部好。     

厚金属靶在弹丸打击下的侵彻与穿透

 给出了预测厚金属靶在不同形状弹头弹丸大速度范围内打击下侵彻与穿透的简单分析方程。在方程的建立过程中，假定变形是局部化的、冲击能量仅由侵彻过程吸收，并进一步假定靶材料对弹丸的平均阻（压）力由两部分组成：一部分基于空穴膨胀理论由于靶材料弹-塑性变形所产生的准静态凝聚阻力；另一部分是考虑了速度效应后的动压力。推导出了预测靶侵彻深度和弹道极限的方程表达式，并与金属靶在不同形状弹头弹丸大速度范围内打击下侵彻与穿透的实验进行了比较。理论预测与实验结果吻合得很好。     

狭缝射流冲击泡沫金属强化换热的数值模拟北大核心

为了分析泡沫金属在狭缝射流冲击泡沫金属强化换热的作用,在计算流体力学(CFD)的基础上,采用数值模拟的方法,对影响换热的一系列因素做了详细的研究。在模型中泡沫金属材质为纯铜,尺寸是定值,通过改变喷嘴内空气速度v、泡沫金属孔隙率φ、喷嘴宽度W与泡沫金属的高度H的比值、喷嘴到泡沫金属上表面的高度C与泡沫金属的高度H的比值,来分析各个因素对热表面换热系数、泡沫金属内温度分布和流线分布等因变量的影响。     

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究北大核心CSCD

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究北大核心CSCD

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100-140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

非结构网格上大涡模拟数值方法研究EI北大核心CSCD

随着计算能力的飞速发展,在非结构网格上进行大涡模拟是研究叶轮机械真实几何结构下复杂流动问题的有效途径。本文针对非结构网格上数值格式人工黏性过大的缺点,利用湍流中动能级联特性,发展了适用于大涡模拟的低耗散数值格式,并结合亚格子模型,考察了其在基础湍流算例中的有效性。通过与传统迎风格式的对比,说明本文发展的低耗散格式可以显著提高非结构网格上大涡模拟的精度和可靠性。     

平头弹丸撞击下薄金属靶板Wen-Jones模型的进一步研究(英文)

针对平头弹丸穿透固支圆形金属薄靶问题,对Wen-Jones模型进行了推广应用。根据前人的研究成果,提出了等效应变失效准则,以预测金属薄靶的穿透。与实验数据的对比表明,新模型的预测结果与有关低碳钢和铝合金的实验结果相吻合。尽管新模型与WenJones模型采用的破坏准则不同,但是两者的预测结果相近。分析发现,当靶板材料的延性足够大时,Wen-Jones模型可看作是新模型的一种特殊情况。     

卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

 基于球形空穴膨胀理论（SCE）,采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。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须划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹,靶体为6061-T6511铝合金。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等实际情况,并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,发现模拟结果与实验结果吻合得很好,并得到了一些有意义的推论。     

钢芯弹冲击高强度钢过程的数值模拟分析

 通过材料特性实验获得7.62 mm×39 mm普通钢芯弹弹芯、N-1高强度钢靶板材料的力学本构模型参数,建立了弹体和靶板的精细有限元模型。对靶板钢材的J-C断裂准则进行改进,并在LS-DYNA软件中实现。应用改进的断裂准则进行了N-1钢受普通钢芯弹垂直冲击过程的数值模拟,计算结果可更准确地反映出实验中靶板出现的绝热剪切冲塞行为,冲塞尺寸较接近实验结果,弹道极限速度也与实验吻合。由此克服了基于原J-C断裂准则计算的缺陷——靶板发生与实验结果不符的拉伸型破坏、冲塞尺寸明显偏小。     

狭缝射流冲击泡沫金属强化换热的数值模拟

为了分析泡沫金属在狭缝射流冲击泡沫金属强化换热的作用,在计算流体力学(CFD)的基础上,采用数值模拟的方法,对影响换热的一系列因素做了详细的研究。在模型中泡沫金属材质为纯铜,尺寸是定值,通过改变喷嘴内空气速度v、泡沫金属孔隙率φ、喷嘴宽度W与泡沫金属的高度H的比值、喷嘴到泡沫金属上表面的高度C与泡沫金属的高度H的比值,来分析各个因素对热表面换热系数、泡沫金属内温度分布和流线分布等因变量的影响。     

陶瓷球金属复合结构的抗弹性能和梯度设计

陶瓷是具有轻质高强特性的常用抗弹材料,但其本身的脆性特点使得陶瓷利用率较低,局部的击穿往往导致整块陶瓷破碎。为了提高陶瓷的利用率,提出了一种分层梯度陶瓷球金属复合结构,并通过数值模拟研究了陶瓷球尺寸及着弹点的影响。从子弹和靶板的变形、弹速变化和塑性波传播等角度分析了陶瓷球金属复合结构的抗弹机理,并对结构进行了梯度优化设计。研究结果表明,直径为7.2 mm的陶瓷球结构的综合抗弹性能良好,在此基础上设计的梯度陶瓷球结构能进一步提升抗弹性。陶瓷球金属复合靶板呈局部破坏,靶板其他位置仍具有抗打击能力。     

等离子射流近场特性的数值模拟北大核心CSCD

等离子射流点火技术在航空航天、武器工业及民用工业中均有应用。为了探索等离子射流的点火特性,对等离子射流在大气中瞬态膨胀扩展近场特性进行了数值模拟,获得了射流扩展过程中的压力、速度、温度分布以及两相界面演化特性。结果表明:等离子射流扩展过程中,射流近场逐渐形成马赫盘,并伴随射流分叉、聚合现象。正激波上游各参数均不随时间变化,下游参数随时间改变。射流前端面扩展位移计算值与实测值吻合较好。     

惯性约束聚变靶丸玻璃微观结构的分子动力学模拟北大核心CSCD

使用分子动力学方法模拟惯性约束聚变(ICF)玻璃微球靶丸材料的碱金属硼硅酸盐玻璃,研究了不同SiO2与B2O3和不同Na2O与B2O3物质的量比的微观结构,包括键长、键角、配位数以及空穴的分布情况。通过模拟发现,在不同组分的碱金属硼硅酸盐玻璃中,硅原子的网络体结构相对稳定,硼原子的结构会随着成分的变化发生明显变化。同时,针对实际的ICF实验中对玻璃微球充入惰性气体氩的问题,模拟发现,当SiO2与B2O3物质的量比为40.5,Na2O与B2O3物质的量比为17.4,8.5,4.2时,玻璃中存在有较多的供氩扩散的空穴。     

新兴零维金属卤化物的光致发光与应用研究进展EI北大核心CSCD

零维(0D)金属卤化物是一类新兴的发光材料体系,它们具有独特的“主-客”体结构,即独立的阴离子金属卤化物多面体客体规则有序地分布在有机阳离子或碱金属阳离子形成的主体框架中。这种具有相对较“软”晶格的0D金属卤化物材料的发光主要源于自陷激子(Self-trapped excitons,STEs)复合,其通常呈现出宽带发射,且具有大的斯托克斯位移。通过筛选不同的及多样化构型的金属卤化物多面体,将其与合适的有机阳离子或者Cs+等组合,可形成多种新型结构的0D金属卤化物,并实现丰富的STEs发光特性,其可调节的荧光发射不仅可以覆盖整个可见光区,还可实现单相白光或近红外发光,成为光致发光材料研究领域的一个热点和重点。基于此,本文结合本课题组在该领域的研究工作基础,首先讨论了0D金属卤化物的光致发光机理;其次,介绍了具有不同多面体构型的0D金属卤化物材料的发光特性及应用;最后,总结了0D金属卤化物目前亟待解决的关键科学问题,并对0D金属卤化物的未来发展方向进行了展望。     

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。