弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。不同初速下弹丸的侵彻深度、侵彻过程中弹丸的位移、速度和负加速度时间历程的计算结果与测试数据符合很好,弹丸过载在12 000g~15 000g之间。该解析模型能够较真实的描述弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态,并且该模型能够分析配筋结构、配筋尺寸、网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响。     

配筋结构对弹丸侵彻过程影响的研究

本文提出的弹丸侵彻钢筋混凝土的解析模型,既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力.该解析模型的计算结果能反映弹丸与钢筋结构的作用过程,与测试数据符合较好.用该模型计算了配筋尺寸、网眼尺寸、配筋结构对侵彻深度、侵彻过程弹丸过载特性的影响.计算结果表明网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大;配筋直径增大,弹丸与钢筋的作用力显著增大,弹丸过载显著增大.     

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.     

弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程解析模型

在球形空腔膨胀模型的基础上,计入了弹丸直接与钢筋发生碰撞的侵彻阻力,建立了弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程分析模型。与单一空腔膨胀模型和试验数据进行对比,表明了模型的有效性和实用性。并利用此模型分析了配筋直径及网眼尺寸对弹丸侵彻深度的影响。     

卵形弹体侵彻预开孔靶理论分析

以破爆型串联战斗部后级随进弹对预开孔靶侵彻过程为研究对象,基于锥形预开孔和库仑摩擦模型,发展完善了包括扩孔/开坑和稳定侵彻的卵形弹体侵彻预开孔靶理论模型。分别对该模型在侵彻脆性和弹塑性靶体的有效性进行了实验验证。利用该模型分析了弹头曲径比、预开孔直径、预开孔形状等对侵彻结果的影响。研究结果表明:发展完善的模型计算结果与实验数据吻合较好。柱形开孔情况下,侵彻速度、弹头曲径比及相对孔径同侵彻深度呈正比;在侵彻容积相同的条件下,弹体侵彻预开锥孔的侵深结果与锥角及相对入孔孔径变化关系较大。     

靶板在爆炸成型弹丸垂直侵彻下的层裂

为了准确掌握靶板层裂过程和规律,基于波动力学和基本假设,建立了爆炸成型弹丸（explosively formed projectile,EFP）垂直侵彻有限厚靶板时层裂的力学模型,得到了层裂点的表达式。研究结果表明：EFP速度为1 800 m/s、靶板厚度从35 mm增大到60 mm时,靶板背面弯月形层裂区厚度不断增大,弯月形层裂区长度不断减小;靶板厚度保持40 mm不变、EFP速度从1 600 m/s增大到1 900 m/s时,靶板背面层裂区厚度不断减小,弯月形层裂区长度不断增大。开展了EFP侵彻40 mm厚装甲钢靶板的实验,将实验结果和理论计算结果进行对比分析,两者吻合较好。

     

高速弹丸撞击地质材料的有限元计算

给出高速弹丸撞击地质材料的有限元分析。利用ＦＥＣＰ２动力有限元程序计算了模拟回收弹体撞击水泥及花岗岩两种地质材料的动力响应，同时给出了弹、靶初始变形过程的图形。     

弹丸侵彻混凝土加速度信号测试及分析

针对弹丸侵彻混凝土加速度信息获取及实测信号失效问题,采用弹载存储测试系统进行了实验,并基于LS-DYNA进行了高速碰撞过程的数值模拟,经处理后的数据曲线与实测侵深符合较好,数值模拟计算结果与实验结果较吻合。通过实验分析与理论推导相结合的方式对应力波、测试装置的基础运动和安装结构刚度、加速度计安装方式等部分影响因素进行了实测加速度信号的影响分析,分析结果对高g值冲击测试问题具有一定的参考价值。     

侵彻钢筋混凝土过程中弹丸过载特性的实验研究

实验测试了侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的过载情况,得到侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成四个部分,每个部分代表弹丸与钢筋混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段弹丸与钢筋混凝土相互作用的特点。实验结果表明,含筋率为2%的钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力明显高于含筋率为1%的钢筋混凝土靶板。研究结果为理论模型的建立打下了基础,也可为相关弹药和防护工程的优化设计提供参考。     

新型头形弹体对混凝土的侵彻

针对几种典型的新型头形弹体开展了对抗压强度为9.0、28.4MPa的混凝土靶的侵彻实验,通过观测回收弹体和解剖靶体,初步认识了新型头形弹体侵彻混凝土介质的侵彻机理。在此基础上,提出了混凝土强度弱化量纲一因子S2和头部小圆柱侵彻开孔半径bt,并基于空腔膨胀理论初步建立了新型头形弹体侵彻混凝土介质的理论分析模型。结果表明,对28.4MPa混凝土,理论预测结果与实验数据具有较好的一致性;对9.0MPa混凝土,理论预测结果与实验数据具有一定偏差,但仍可基本反映新型头形弹体的侵彻规律。最后分析了提高新型头形弹体侵彻性能的2个途径:减小S2和增大bt。     

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。     

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。     

刻槽弹侵彻混凝土受力模型研究

利用混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论,建立了针对刻槽弹体的低速花瓣形受力模型和高速圆孔形受力模型,并采用这两种模型计算了刻槽弹体侵彻混凝土的侵深。结果表明:当初速低于1 000 m/s时,运用低速花瓣形受力模型计算得出的侵深和实验值的误差小于11%;当初速高于1 000 m/s时,运用高速圆孔形受力模型计算出的侵深和实验值的误差约为20%。综合实验过程和实验误差分析可知,建立的刻槽弹侵彻混凝土受力模型可用于刻槽弹对混凝土的侵彻能力分析。     

细长薄壁弹体撞击钢靶屈曲的数值分析

动能深侵彻弹攻击坚硬目标时,可能会引起弹体的屈曲而导致战斗部的破坏。采用LS-DYNA3D软件,对细长薄壁弹体撞击中厚钢板的屈曲破坏进行了数值研究。数值模拟再现了各型弹体在不同撞击情形下的屈曲破坏过程,证明了实验观察得到的长、短型弹体动塑性屈曲破坏存在轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型两种基本模式,相应的屈曲破坏存在不同的特征过载曲线。给出了相关的屈曲破坏机动场描述和比实验结果更丰富的过程分析。     

弹体侵彻干砂的数值模型

基于砂粒的不可压缩性假设,利用球形空腔动态收缩模型和广义Mises强度准则推导了干砂的孔隙压密演化方程;根据Hugoniot冲击突跃条件和Grüneisen系数,推导了干砂考虑孔隙演化影响的状态方程;根据关联流动法则,得到了大变形时砂的弹塑性应力应变关系;基于动力有限元计算平台,采用上述模型分析了弹体高速侵彻干砂的作用过程。结果表明,该模型能够表征高速侵彻时砂的孔隙演化对应力应变状态的反向影响,能够较准确地反映高速侵彻作用下干砂的动力响应过程。     

头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验与理论模型

在综合考虑弹体结构稳定性及截面比动能的前提下, 提出一种介于尖卵形弹体及尖锥形弹体间的头部对称刻槽弹体, 以期达到提高侵彻深度的目的。以尖卵形弹体侵彻深度为基准, 开展头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验。在此基础上, 推导得到可描述头部对称刻槽弹体侵彻2A12铝合金靶过程的局部相互作用模型。同时, 结合头部对称刻槽弹体侵彻后靶体破坏现象, 提出适用于头部对称刻槽弹体的靶体响应力, 进而确立头部对称刻槽弹体的侵彻深度模型。实验结果与理论计算表明, 头部对称刻槽弹体具有相对于尖卵形弹体更好的侵彻能力。头部对称刻槽弹体侵彻深度提高的原因是弹体头部结构截面比动能增加及其侵彻过程中的靶体弱化效应, 其中弱化效应是侵彻深度提高的主控因素。

     

弹体对混凝土介质侵彻、贯穿的比例换算关系

根据介质抗侵彻的变形和破坏模型,从近区应力与变形状态实际出发,利用波阵面上的动量守恒关系和弹体表面的连续运动规律,推得了介质近区运动学的关系式,从而得到了作用在弹体表面的应力表达式。通过破碎区与径向裂缝区的能量传输关系,揭示了侵彻与贯穿问题的比例尺度关系的规律,给出了具有宽广范围的侵彻计算公式,并通过与现有经验公式计算结果的对比验证了该公式的可靠性。     

弹体高速侵彻效率的实验和量纲分析

为了研究高速侵彻时弹体撞击速度、材料强度等对质量侵蚀特性和侵彻效率的影响规律,开展了不同材料强度和长径比的弹体高速侵彻半无限厚素混凝土靶实验,弹体撞击速度为880~1 900 m/s,弹头形状为尖卵型(半径口径比为3),口径为30 mm。由实验发现:弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布,最大侵彻效率时的弹体特征撞击速度约1 400 m/s;高速侵彻时弹体的质量侵蚀主要发生在卵形头部,弹身及尾部损伤极少;速度超过特征撞击速度时,弹体侵蚀严重,甚至弯曲变形或解体;弹体强度提高至约2倍时,质量侵蚀率降低约80%。基于实验,利用量纲分析原则建立了量纲一侵彻效率和量纲一弹体撞击速度的函数关系式,可估算出最大侵彻效率对应的弹体撞靶速度,为高速侵彻效应模拟实验提供理论指导。