Review on long-rod penetration at hypervelocity

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.     

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.      

Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹的侵彻行为

为研究Hf基非晶合金的变形行为及高速侵彻性能,分别开展了Hf基非晶合金材料静动态力学性能和Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹高速侵彻45钢靶体试验研究,并与45钢夹芯长杆弹侵彻结果进行对比。研究发现:Hf基非晶合金具有较高的断裂强度,断裂时伴随有能量释放现象;Hf基非晶合金夹芯长杆弹侵彻钢靶过程可分为3个阶段:开坑、夹芯结构侵彻和剩余弹体侵彻。Hf非晶合金在侵彻过程中发生了明显的释能反应,显著地增强了弹体毁伤效应,扩大了侵彻弹孔直径,增加了弹体侵彻深度和弹孔体积。在高速冲击下,Hf基非晶合金夹芯长杆弹表现出优异的侵彻性能,可以为非晶合金材料在高效毁伤领域的应用提供新思路。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

SPH算法在长杆弹侵彻多层间隔靶中的应用

基于Autodyn软件,应用SPH算法对长杆弹高速侵彻多层间隔金属靶板的过程进行数值模拟,分析了弹体侵彻靶板后的剩余速度、剩余动能、以及形成的破片及其飞散情况,同时模拟初始速度及弹体质量对侵彻过程的影响.通过与实验结果的比较,表明数值模拟的结果是合理的,能够准确模拟长杆弹对多层间隔靶的高速侵彻过程,对预测弹体侵彻件能以...     

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

Al2O3陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能和机理实验研究

用DOP(depthofpenetration)实验研究了质量分数为 90 %的Al2 O3 陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能。实验表明 :随陶瓷厚度的增加 ,以差分效益系数和靶平均阻力表征的陶瓷复合靶的抗长杆弹侵彻性能降低 ;盖板能增强陶瓷复合靶抗侵彻性能。对回收陶瓷和盖板的破坏特征分析表明 :长杆弹对陶瓷复合靶侵彻过程大致可分为初期侵彻和稳定侵彻两个阶段 ,但对薄靶和厚靶 ,两个阶段在整个侵彻过程中所占比重不同。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展,长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律,本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据,对开坑直径和开坑体积进行量纲分析,基于开坑截面的弓形形貌几何关系,得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸,在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段;弹体发生严重的长度缩短,直至最后完全侵蚀,弹洞半径明显大于弹体半径,说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外,在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数;侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大,受弹体强度影响不大。     

钨合金长杆弹侵彻约束AD95陶瓷复合靶

以侵彻深度(depthofpenetration,DOP)实验为基础,利用LS-DYNA 软件进行数值模拟,对钨合 金长杆弹侵彻45钢鉴证靶和约束AD95陶瓷复合靶进行了对比研究。通过数值模拟与实验结合的方法,得 到了AD95陶瓷的JH-2模型(Johnson-Holmquistceramicmaterialmodel)参数;深入分析了钨合金长杆弹侵 彻约束AD95陶瓷复合靶侵彻响应过程。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

长杆弹撞击陶瓷靶的一种数值模拟方法

陶瓷材料具有高强度和低密度等特点,抗弹性能优越,被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象,是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型,采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法,模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷,通过改变长杆弹的撞击速度,得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合,综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明,在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法,需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟,不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。     

长杆高速侵彻的特征控制参量分析

针对理想长杆侵彻,通过对长杆侵彻Alekseevskii-Tate模型近似解进行分析,指出单一的无量纲速度衰减系数α（deceleration index）不足以完全表征长杆高速侵彻的准定常阶段。在此基础上,重新定义了2个无量纲特征参量:Johnson破坏数Φ_Jp和特征时间系数β,2个参量之间的关系为α=β/Φ_Jp。分析表明,Φ_Jp和β（或α和β）可实现对长杆高速侵彻准定常阶段的弹尾速度的完全表征;若再引入长杆弹相对临界速度v_c*,则可完全表征长杆侵彻的准定常阶段。此外,还证明了α能够判定侵彻过程偏离定常状态的程度,并指出通过确定Φ_Jp和β（或α和β）,可针对攻防需求对长杆弹侵彻设计进行指导。     

长杆弹对混凝土的侵爆效应

对适用于长杆弹在混凝土介质中侵彻和爆炸全过程的三维数值模拟方法和技术进行了研究。描述了进行相应数值模拟的有关方法和关键技术。确定了靶体C30混凝土材料所使用的本构模型及其相应的参数。对卵形头长杆弹在C30混凝土中侵彻到一定深度再爆炸的全物理过程进行了三维数值模拟,分别给出了C30混凝土靶体在侵彻和爆炸作用下的破坏效应图像。将侵彻计算图像与实验结果进行了比较,两者定性符合。     

预扭转钨合金杆弹侵彻钢靶的数值模拟

在实验的基础上 ,对预扭转钨合金长杆弹提出了一个唯象的本构模型和破坏准则 ,并针对预扭转钨合金长杆弹侵彻厚钢靶进行二维有限元计算 ,得到了侵彻过程中的主要物理图象和曲线 ,进而对计算结果进行了分析讨论。计算结果表明 ,侵彻过程中的主要物理数据与实验测量结果基本一致。     

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.      

运动板干扰长杆体分析模型

通过对长杆体与运动板相互作用物理过程分析,在长杆体与半无限靶板高速碰撞的理论模型基础上,建立了长杆与运动板作用直径损失模型,并应用杆体直径损失量来定量地描述运动薄板干扰过程,初步得到了实验和数值模拟结果验证,为研究长杆弹与运动靶板相互作用提供理论基础.     

基于物质点法不同头部形状弹体侵彻动靶过程的仿真研究

为分析弹头形状对动靶侵彻性能的影响以及解决有限元法模拟子弹侵彻问题时存在的网格畸变问题,本文采用物质点法建立了弹体侵彻靶板的数值模型。利用编写的程序对卵形弹侵彻静靶过程进行了仿真,并将仿真结果与实验测试结果进行了对比分析。结果表明,利用物质点法仿真子弹侵彻过程是可行和有效的。通过对平头弹、球形弹、卵形弹侵彻动靶过程的模拟仿真,得到了弹体贯穿动靶后弹体的剩余速度、偏转角、扭转角、靶板的毁伤效果。所得结果显示:当靶板速度较低时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最小;当靶板速度较高时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最大;弹体偏转角和扭转角均随动靶速度的增加而逐渐增大,且卵形弹的偏转角和扭转角均大于平头弹和球形弹;当动靶初速度小于300m/s时,卵形弹的侵彻能力较强;当动靶初速度大于300m/s时,球形弹的侵彻能力较强。本文研究对弹丸侵彻和装甲防护等军工领域有一定的指导作用。     

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

岩石类介质侵彻效应的理论研究进展

近年来,随着超高速武器的发展,侵彻效应的研究重点逐渐由高速向超高速发展。随着弹体打击速度提高,侵彻机制发生变化,并触发强烈的成坑和地冲击效应。本文综述了大速度范围内岩石类介质侵彻效应的理论研究进展,讨论了长杆弹侵彻速度的分区,介绍了岩石类介质的侵彻、成坑、地冲击效应的理论模型,并对目前研究中尚有待解决的问题和下一步的研究方向进行了展望。