球形破片侵彻多层板弹道极限的量纲分析

为了研究Q235钢多层板的抗侵彻性能,进行了直径为9.45 mm的钨合金球形破片侵彻7.2 mm和(3.6+3.6)mm厚Q235钢双层板试验,获得了相应的弹道极限。在此基础上,建立数值仿真模型,研究了钨合金球侵彻接触式等厚3层、4层、5层、6层板的弹道极限。通过量纲分析方法,分析了分层数对靶板弹道极限的影响。结果表明:对于球形破片,总厚度为7.2 mm的等厚双层板的抗侵彻性能高于单层板;当分层数大于2时,接触式多层等厚靶板的弹道极限随着层数的增加而减小,即分层数越多,靶板的抗侵彻性能越低,通过量纲分析方法得到了靶板分层数与破片弹道极限的关系。研究结果可为未来装甲防护设计提供一定的参考。     

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。     

分层数对Q235钢薄板抗侵彻性能的影响

利用轻气炮进行卵形头、平头以及半球形头杆弹正撞击等厚接触式叠层靶实验,得到这3种结构的初始速度-剩余速度曲线以及弹道极限,对回收靶体进行分析,研究分层数对叠层靶抗侵彻性能和失效模式的影响。结果表明:对于延性金属薄板,分层结构降低靶体的弹道极限,单层板的抗侵彻性能高于叠层板的抗侵彻性能。对于平头弹和卵形头弹,弹道极限随分层数的增加而降低;对于半球形头弹,弹道极限随分层数的增加先降低后升高;分层数对弹道极限的影响随弹体初始撞击速度的增加而减小。     

铝弹丸超高速撞击防护结构的研究进展

以空间碎片防护为背景,回顾了超高速铝弹丸正撞击单层和双层铝合金防护结构的研究进展,讨论了目前针对超高速撞击的弹丸发射技术和数值模拟方法(如Euler方法、无网格方法等)的优缺点。数值模拟不仅建立在离散方法上,还需要提供准确的材料本构模型和状态方程。介绍了常用材料模型(包括Johnson-Cook、Steinberg-Guinan模型)和状态方程(包括Tillotson、ANEOS、SESAME、GRAY三相状态方程)。基于实验和数值模拟,目前对7 km/s以下的超高速撞击物理过程已经认识得比较清楚。对单层板,重点讨论了板的穿孔特征和孔径模型;对双层板,除了前板的穿孔外,还讨论了碎片云的分布特征、材料相变、碎片云的相态分布、弹丸形状的影响、碎片云的散布模型以及碎片云对后板造成的破坏特征。最后介绍了工程防护中较为重要的防护结构的弹道极限方程。单层板和双层板的弹道极限方程研究近年来取得了较大进展。本文回顾了国内外常用的弹道极限方程以及近年来新提出的理论模型和基于人工神经网络的模型等。     

GFRP复合三明治板在高速弹体冲击下的弹道极限预测（英文）

研究了玻璃纤维复合三明治板在圆柱形平头弹体打击下的预测弹道极限的理论预测方法。建立了玻璃纤维复合三明治板的三阶段侵彻模型,包括侵彻面板阶段、侵彻复合材料夹芯层阶段和侵彻内板阶段。基于高速弹体侵彻下靶板的局部变形假设建立了理论关系,将弹体侵彻复合材料夹心层时视为刚体处理,面板和背板的侵彻阶段考虑了弹体的墩粗效应和靶板的绝热剪切效应。基于能量平衡原理,推导了复合材料三明治板的弹道极限,并将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,研究了不同侵彻速度、弹体质量和夹心层厚度对弹道极限的影响。结果表明,理论计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

锥头弹丸穿透薄钢板的实验研究

 为了研究延性薄靶的穿透性能,进行了90°锥头弹丸穿透薄钢板的准静态和动态实验。通过准静态实验,得到了4种不同厚度钢板的载荷-压入位移曲线及破坏模式;结合膜力理论模型及纯弯静塑性破坏模型,对实验结果进行了分析,得出：对于薄靶,大变形膜力起主导作用,随着靶厚增加,弯距在板整体变形过程中的影响逐渐增大。通过动态穿透实验,得到了弹丸穿透4种不同厚度钢板的入射速度、残余速度及靶板破坏模式,计算得到穿透耗能。最后,将准静态实验与动态实验结果进行了对比讨论。     

伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究

 利用LS-DYNA3D软件,对有攻角条件下伸出式侵彻体侵彻单层靶板及等厚度双层间隔靶板进行了数值模拟研究,从靶后动能和靶板破坏程度的角度对比了伸出体与同质量、同外径的基准杆侵彻单/双层靶板的能力。得出了侵彻体动能随时间变化的规律,分析了侵彻过程中攻角、速度及靶板分层3个重要因素对侵彻体侵彻能力的影响。结果表明：当攻角小或速度大时,伸出式侵彻体相对基准杆有较明显的优势;当双层靶板的间隔与基准杆长度相等时,靶板的分层对伸出体的侵彻性能几乎无影响,而对基准杆有较大影响,说明伸出体侵彻多层间隔防护结构的能力明显优于基准杆。     

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。     

双硬度靶对球形弹丸的防护性能

以钢/铝双硬度爆炸焊接复合靶为研究对象,采用系列弹道实验和数值模拟方法,研究了其在球形弹丸垂直侵彻作用下的抗侵彻性能。侵彻实验利用直径为14.5mm的滑膛枪发射直径为6mm的钢质球形弹丸;采用LS-DYNA3D非线性有限元程序和有限元-光滑粒子流体动力学(FE-SPH)耦合法,进行数值模拟。基于实验和数值模拟结果,分析了不同靶板的毁伤机理和破坏模式,以及靶板厚度、强度等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形弹丸的垂直侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;对于双层靶而言,钢面板与铝背板的厚度比约为2/3时,复合靶的抗侵彻性能最差;数值计算结果与实验结果吻合良好,表明FE-SPH耦合算法可较好地预测双层复合靶板的抗侵彻性能。     

7A04高强铝合金抗杆弹正撞击性能实验研究

 7A04铝合金具有较高的强度-密度比,广泛应用于穿甲工程材料领域。在轻气炮上进行了平头和卵形钢杆弹体正撞击10 mm厚7A04铝合金板的实验研究,得到了两种弹体撞击7A04铝合金靶板的损伤形式和特性。使用高速相机记录了撞击过程并测得了弹体的剩余速度,得到了两种弹体撞击10 mm厚7A04铝合金靶板的弹道极限。实验表明,此种铝合金靶板抗卵形弹体正撞击的能力强于平头弹。     

弹头形状对刚性动能弹丸垂直穿透钢板的影响

为了研究弹头形状对穿甲性能的影响,对直径20mm的刚性动能弹丸垂直穿透12mm厚度的Weldox 460E钢板进行了数值模拟。保持弹丸的质量和直径不变,锥头弹丸的锥角θ变化范围为10°~180°,卵头弹丸的曲径比ψ变化范围为0.5~4.0,考虑摩擦效应,研究了177~500m/s速度范围内弹头形状的变化对靶板弹道性能与破坏模式的影响。研究结果表明:锥头弹丸的锥角变化对靶板的弹道极限速度有明显影响,当锥角增加到大于临界锥角时,靶板的破坏模式从延性扩孔破坏转变为冲塞破坏;ψ≥3.0时,卵头弹丸的曲径比变化对靶板的弹道极限速度有明显影响,ψ≥1.0时,靶板的破坏模式均为延性扩孔破坏;弹头的尖锐程度越大,摩擦效应的影响越大。     

基于速度势侵彻模型的应用研究

 研究了Rubin等人提出的基于Rankine卵形体速度势函数分析的侵彻模型。根据该侵彻模型的基本方法编制了计算程序,计算头部形状为锥形、卵形和球形的长杆弹体垂直碰撞靶板时的侵彻深度和穿透靶板后的剩余速度,分析侵彻模型对不同头部形状的长杆弹体的适用性。另外,利用该分析方法计算并分析了卵形头部长杆弹体对铝靶侵彻和穿透的缩比模型问题,用分析方法验证了无量纲侵彻深度和剩余速度相等的侵彻几何相似规律,同时得到了弹体减加速度与几何尺寸成反比的重要结论。最后对混凝土靶板的侵彻与穿透问题进行了尝试计算,得到了同实验基本一致的计算结果并对其进行了深入分析。     

攻角对卵形头弹撞击铝合金薄板影响的数值研究

基于Johnson-Cook材料本构和失效准则,利用ABAQUS有限元软件,建立了卵形头弹正撞击2mm厚的2A12铝合金薄板模型。在模型及参数验证的基础上,研究了弹体攻角对弹靶撞击过程、弹体动能变化和靶板变形的影响,其中攻角范围为0°~60°。结果表明:靶板的动能在撞击过程中只有微弱增加,靶板的塑性变形是主要的耗能方式;弹体攻角的增加导致靶板的损伤面积先增大后保持不变,弹孔形状从圆形过渡为"L"形;弹体的剩余动能随弹体攻角的增加而降低,并在攻角大于45°后保持不变;靶板弹道极限随攻角的增加先增加后略有下降,在45°时最大。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

微穿孔板吸声结构水下应用研究

马大猷教授提出的微穿孔板吸声结构在空气噪声降低和隔离方面得到了广泛的应用,但未见水下应用的相关研究和报道。本文将空气中微穿孔板理论应用到水中,得到了水下微穿孔板吸声结构的吸声公式。通过理论分析,得出了微穿孔板结构直接应用于水中无法获得宽频吸收的结论。提出了通过匹配液将微穿孔板间接应用到水下的设想。设计了单层板和双层板吸声结构,并对它们的吸声特性进行了理论分析与仿真。结果表明,本文设计的微穿孔板吸声结构在水中能够获得优于空气中的宽频带吸声效果。实验测量了自制的微穿孔板吸声结构,吸声系数的测量值与理论曲线基本吻合,从而验证了理论分析的正确性。     

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。     

厚胶层复合材料弱粘接结构的超声反射特性

开展了复合材料粘接结构粘接质量的非接触式超声反射特性的仿真与实验研究。首先,建立了水浸环境下纤维增强复合材料(FRP)单层板时域仿真模型,数值分析了不同入射角度下声反射系数频率谱的变化规律,并与已有理论方法进行了对比验证。基于此,建立了含厚胶层的复合材料粘接结构反射特性时域仿真模型,分析了粘接界面弱化程度对超声反射系数频谱特征点的影响规律。基于水浸超声反射特性测量系统,实验萃取了完好粘接状态的FRP粘接结构的超声反射系数频谱,与仿真结果吻合良好。随后,制备了具有不同粘接界面状态特征的FRP粘接结构试样,从实验角度揭示了单/双粘接界面弱化状态与超声反射特性间规律性的偏移特征。基于不同粘接状态与超声反射特性间的规律性分布特征,可为厚胶层复合材料粘接结构的粘接质量评估提供新的研究思路。     

锥头弹体攻角贯穿薄钢靶数值模拟

为了研究攻角对锥头弹体贯穿薄钢靶破坏模式和弹体偏转的影响,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了锥头弹体以2°～10°攻角贯穿薄钢靶的模型。先验证了模型及参数的可靠性,在此基础上进行了锥头弹体在不同攻角和初始速度条件下的贯穿数值模拟。结合靶板的破坏与弹体的偏转过程提出了一种四阶段分析模型,并系统地研究了攻角对弹道和弹体偏转角变化规律的影响。结果表明:攻角贯穿薄钢靶失效模式为非对称花瓣形破坏;攻角越大,初始速度越小(大于弹道极限速度),弹道偏转越明显;弹体偏转角变化规律与初始速度范围相关,当初始速度高于1.4倍弹道极限时,弹体偏转角呈现先增大后减小的变化趋势;弹体出靶时刻的角速度随攻角的增大而增大,随着初始速度的增加先反向增大后减小。     

电炮加载下靶板的高速摄影技术研究

叙述高速摄影在电炮加载多层铝板实验中的应用情况,用普通高速摄影技术和激光阴影摄影首次得到双层和三层铝板在Mylar膜飞片碰撞靶板后形成碎片云的变化图像和靶板表面的微物质喷射发展过程,观察改变起爆系统充电电压、靶板厚度及靶板之间距离等不同条件下的高速碰撞现象,初步得到碎片云和微物质的运动速度等实验结果。     

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。