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.      

长杆高速侵彻问题研究进展

由高密度金属制成的长杆弹在1.5$\sim$3.0km/s的下具有很强的侵彻和贯穿能力,长杆高速侵彻问题现已成为穿甲侵彻领域的研究热点.本文综述了长杆高速侵彻问题的最新研究进展,首先介绍了长杆高速侵彻的基本概念、研究方法和理论模型;其次重点论述了研究中关注的突出问题与应用, 包括弹靶材料性质、长杆弹头部形状、长径比效应与分段杆设计、陶瓷靶抵抗长杆侵彻与界面击溃和非理想长杆侵彻;最后对未来的研究工作提出一些建议.      

块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为

块体金属玻璃及其复合材料以其优异的力学、物理和化学性能, 正成为国内外科技和工程领域的研究热点. 特别是金属玻璃复合材料具有高剪切敏感性和剪切``自锐'特性, 使其有可能成为新型穿甲弹芯材料, 因而具有重要的军事意义. 本文综述了针对块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切变形和断裂特性及高速冲击、侵彻/穿甲过程中剪切``自锐'行为等方面的研究进展, 包括相关实验研究、理论分析及有限元模拟等, 最后给出未来相关工作的一些建议.      

基于无网格Galerkin法的穿甲侵彻数值模拟

将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性.     

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程,并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用,其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好,可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。     

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

为研究椭圆截面弹体侵彻混凝土靶规律,基于动态球形空腔膨胀理论,建立椭圆截面弹体侵彻受力模型,计算典型椭圆截面弹体阻力规律和侵彻砂浆靶深度。在此基础上,采用弹道炮发射平台,开展相同质量和长度的2种典型椭圆截面弹体及圆截面弹体垂直侵彻半无限砂浆靶实验。结果表明:理论模型能够反映椭圆截面弹体受力情况,并与实验研究结果吻合较好;椭圆截面弹体长短轴参数的改变对侵彻性能影响较为显著。     

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。     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

PREDICTION OF PROJECTILE PENETRATION AND PERFORATION BY FINITE CAVITY EXPANSION METHOD WITH THE FREE-SURFACE EFFECT

With a target treated as the incompressible Tresca and Mohr-Coulomb material, by assuming that cavity expansion produces plastic-elastic and plastic-cracked-elastic response region, the decay function for the free-surface effect is constructed for metal and geological tar- gets, respectively. The forcing function for oblique penetration and perforation is obtained by multiplying the forcing function derived on the basis of infinite target assumption with the de- cay function. Then the projectile is modeled with an explicit transient dynamic finite element code and the target is represented by the forcing function as the pressure boundary condition. This methodology eliminates discretizing the target as well as the need for a complex contact algorithm and is implemented in ABAQUS explicit solver via the user subroutine VDLOAD. It is found that the free-surface effect must be considered in terms of the projectile deformation, residual velocity, projectile trajectory, ricochet limits and critical reverse velocity. The numerical predictions are in good agreement with the available experimental data if the free-surface effect is taken into account.     

高速弹丸撞靶的侵彻参数的统计分析

弹丸与靶高速碰撞下的侵彻参数是一个随机量,本文对侵彻参数(坑深度p、坑表面孔径d)进行统计分析,给出变量p、d的变差系数,这样,当变差系数C(?)已知时,可对极小样本量m=2、3、4的情况进行统计分析。     

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.     

头盔用复合材料抗侵彻性能研究进展

对头盔用复合材料抗冲击性能的研究及其主要成果进行了总结和评述,包括所用材料的冲击动力学性能、头盔结构在冲击下的损伤和破坏特点、其能量吸收机制的理论分析和数值模拟等几方面,提出了一些亟待深入的研究方向．     

定面射孔新工艺对套管强度的影响研究1)

用于非常规储层的定面射孔工艺可有效地降低水力裂缝的起裂压力,提高近井筒的泄油面积;但该工艺对套管强度的影响研究较少。本文基于流固耦合理论,建立了地层$\!$-$\!$-$\!$水泥环$\!$-$\!$-$\!$射孔套管的应力耦合模型,退化为裸套管与API标准进行比对,效验了模型,并发现地层约束条件下套管承受内压的能力提高了1.48$\sim$2.16倍,在此基础上,给出了套管尺寸、射孔直径及射孔相位角对套管承压能力的变化规律。计算表明：螺旋射孔方位角为45$^\circ$时,定面射孔间夹角为30$^\circ$时,套管内径越小,套管壁厚越厚,则套管的承压能力越高;相同参数下,定面射孔工艺比螺旋射孔工艺引起的套管承压能力略低。     

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=45 ,壁厚H=3 )和薄壁管(外径D=44 ,壁厚H=1 )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0 MPa,5 MPa,10 MPa,15 MPa和20 MPa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.     

静力触探锥头阻力的近似理论与实验研究进展

锥头阻力在静力触探试验中扮演着十分重要的角色.从不同角度,对触探中锥头阻力的研究进行简要阐述,对承载力理论、空洞膨胀理论、应变路径法及运动点位错法等几种理论分析方法进行了回顾.另外,对数值分析和实验研究的进展情况进行了叙述.并对各种方法的适用性进行了比较.承载力理论虽然简单,但忽略了土的压缩性和探杆周围初始应力的增加,所以不能精确地模拟锥头的深层贯入.空洞膨胀理论提供了一个分析锥头阻力的简单而较精确的方法,它考虑了土的压缩性(或膨胀性)和锥头贯入过程中锥杆周围应力增加的影响.但这种方法是将锥头贯入与空洞膨胀之间做了一个等效模拟,所以不同的模拟方法,得到的结果差别较大.应变路径法能够有效解决饱和粘土中的不排水贯入,但不适用于砂土.运动点位错法因为考虑了部分排水,所以能较好地预测固结系数,但采用了线弹性分析,故位错法在其他方面的应用还需要大量的试验验证.有限元法在处理锥头贯入这类慢侵彻问题时缺乏一种很好的处理技术,导致它在进行破坏荷载计算时有显著的误差和数值计算困难.标定槽试验将在验证和建立锥头阻力与土的性能关系方面继续起到一个重要作用,但其结果需经过校正后才可应用到现场.最后对该领域的研究趋势进行了讨论.      

起爆时差对孔间裂缝贯穿影响的动光弹研究

文章用动光弹试验方法研究了相邻两个炮孔被同时起爆和采用不同的起爆时差起爆时炮孔之间应力波的传播及其应力波对裂纹扩展的影响,并重点研究了炮孔之间裂纹的产生、扩展及贯穿过程和机理。研究结果表明:在先起爆的炮孔爆炸产生的动态应力场存在时起爆另一个炮孔,即起爆时差N基本满足t/c(?)Nt/c(?),是在后起爆的炮孔孔壁上产生主导控制裂纹的最有利条件;在先起爆的炮孔旁钻导向孔,并采用合适的起爆时差可以获得炮孔间的最佳贯穿。     

尖锥头长杆弹侵彻的界面击溃分析

在Alekseevski-Tate模型基础上, 理论分析了尖锥头长杆弹的界面击溃过程, 分别给出在锥头侵蚀阶段和弹身侵蚀阶段的弹体速度下降及质量侵蚀计算公式; 随后分析弹体的动能损失, 讨论半锥角对弹体动能损失的影响. 通过分析小子弹撞击陶瓷/金属复合靶板的例子, 验证了该理论的正确性, 并对比分析了尖锥头长杆弹与小子弹及平头长杆弹在界面击溃中动能损失之间的差异.