钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度研究

为探索钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度随撞击速度变化规律,利用二级轻气炮开展了?3.45 mm×10.5 mm的克级93 W钨合金柱形弹以1.82~3.66 km/s的速度撞击水泥砂浆靶的实验,利用CT图像诊断技术获得了侵彻深度和残余弹长随撞击速度的变化规律,对超高速撞击过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果进一步分析了超高速撞击物理过程。结果表明:(1)超高速撞击条件下成坑是弹坑+弹洞型;(2)侵深-速度曲线呈现先增大后减小的现象,在弹速2.6 km/s附近存在侵彻深度极大值,约为8.5倍弹长,相对于中低速侵彻的深度并没有显著优势。(3)通过基于数值模拟得到的弹靶界面压力时程曲线将侵彻过程分为4个阶段,其中准定常侵彻阶段和第三侵彻阶段是决定总侵深的主要阶段。(4)随撞击速度增加,弹体侵蚀逐渐剧烈,此时准定常侵彻阶段的侵深变化不大,而第三侵彻阶段中的刚体侵彻部分大幅降低,导致总侵深大幅降低,使总侵深曲线呈现先增大后减小的现象。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

不同速度段弹体侵彻岩石靶体的理论分析

随着撞击速度的增加,弹体对岩石类靶体的侵彻机制会发生显著变化,由刚体侵彻逐步转变为半流体侵彻和流体侵彻,3种侵彻机制各自适用的理论模型完全不同。在半流体侵彻阶段,弹体质量损失开始显著增加,造成侵彻效率严重下降,侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量与速度的理论模型以及弹体刚体段的侵彻阻抗,推导出考虑弹体质量损失的半流体侵彻深度计算公式。对于超高速撞击时的流体动力学侵彻段,通过对流体区和刚性区进行假定,建立动量守恒和伯努利方程,推导给出该阶段弹体的侵彻阻抗,结合弹体质量变化方程推导出侵彻深度的表达式。最后将3个阶段的理论计算结果与花岗岩侵彻试验数据进行了对比验证,侵深和弹体质量变化规律均吻合良好,而且各阶段模型计算结果反映出的侵彻变化规律与实验结果完全一致。     

弹体正侵彻混凝土靶动态开坑作用过程

为了进一步研究弹体侵彻混凝土靶的开坑作用过程,基于开坑破坏过程分析对开坑阶段进行划分,结合弹体头部形状函数、Z模型流线场分布以及法向膨胀理论,建立考虑混凝土飞溅过程影响的开坑阻力计算模型,并运用文献中试验数据验证模型的可靠性。在此基础上,进一步分析了典型弹靶参数对弹体侵彻混凝土靶动态开坑作用过程的影响规律。研究结果表明：弹体开坑飞溅区范围随弹体头部形状系数和混凝土强度的增大而减小;飞溅区范围达到稳定的时间和动态开坑作用时间随初速和混凝土强度的增大而缩短,随弹体头部形状系数的增大而增大;相较于弹体头部形状系数和混凝土强度,初始撞击速度对动态开坑作用过程的影响更显著。     

钻地弹侵彻混凝土靶过程中弹体温度的变化

建立了弹丸侵彻混凝土目标靶时弹体温度变化计算模型,并结合某实验弹体结构,对钻地弹侵彻过程弹体温度的变化进行了计算,分析了弹丸头部形状及着靶速度对弹内装药安全性的影响,研究结果可为钻地弹弹体设计及装药安全性的研究提供参考。 更多还原     

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。     

弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析

由于混凝土靶体抗刚性弹侵彻实验大多基于缩比弹体展开,侵彻深度相似律是否成立显得尤为重要。在侵彻相似模型基础上,综合分析已有侵彻实验数据及经验公式,发现侵彻深度在通常情况下存在尺寸效应,且无量纲侵彻深度随弹体尺寸变大而增大。但如果模型以及原型实验中弹体与混凝土靶体（包括粗骨料）严格等比例设计,侵彻深度相似律是成立的。不变的骨料特征（粗骨料未随弹体尺寸缩放）是引起侵彻实验以及侵彻经验公式中尺寸效应的主要原因。为研究由粗骨料引起的侵彻尺寸效应,开发了混凝土二维细观有限元建模程序,细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应,考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻实验。     

弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应

为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应,总结了侵彻实验中的成坑现象,分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果;考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响,采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式;基于新型成坑效应计算公式,对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大;对于钢筋混凝土,成坑深度随撞击速度提升呈先增大后减小再增大的变化规律;在常见的侵彻速度和质量范围内,成坑角为15°～24°,质量对成坑角影响较小;迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%～25%,且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小;弹体质量越小,成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好,可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。     

弹体斜侵彻混凝土靶的实验研究及其数值模拟

以弹体斜侵彻混凝土的弹道特性为研究内容,通过侵彻实验与数值模拟得到了不同速度下的侵彻深度、开坑尺寸、偏转角等参数,实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明:倾角对开坑深度和开坑形状影响很大;倾角越大,对侵彻深度和偏转角的影响越明显,弹体偏转角随着速度的增大呈现减小的趋势;当倾角增至一定角度后发生跳弹现象,据此得到跳弹极限角与倾角、侵彻速度的关系。     

刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型

为描述刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体姿态变化,针对已有贯穿模型存在的问题,在斜侵彻贯穿过程中考虑了弹体转动惯量对姿态偏转的影响,根据弹体贯穿靶板后的成孔特性重新假设了背靶面崩落块形状,并在弹体贯穿出靶的剪切冲塞阶段引入了弹体姿态二次偏转机制,从而建立了刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型,同时给出了混凝土薄靶、中厚靶和厚靶的分类方法。多种侵彻状态的理论模型计算结果均与实验测量结果吻合较好,表明本文理论模型可有效预估弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体出靶姿态。     

NORMAL EXPANSION THEORY FOR PENETRATION OF PROJECTILE AGAINST CONCRETE TARGET

Based on the equations which describe the dynamic behavior of material under high-velocity and high-pressure shock, corresponding equations at shock front whose surface is general space curve surface were established. For concrete material, a normal expansion theory was proposed by which some deceleration about time history of the projectile can be analytically given. This normal expansion theory is not only suitable for spherical and cylindrical-nose projectile, but also suitable for other general nose projectile, for example conical nose or ogive-nose. And it is not only suitable for perpendicular shock but also for oblique shock.     

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明：在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。

     

成层式防护结构抗超高速侵彻的数值分析

采用SPH算法,基于AUTODYN-2D开展了钨杆弹对4种"花岗岩遮弹层-（空气）干砂分配层-混凝土结构层"形式的成层式防护结构的超高速打击数值计算分析,得到了结构的破坏特征和能量分配情况。结果表明：（1）增加打击速度会加剧遮弹层和分配层的破坏程度,但在一定速度区间内结构层的侵彻深度反而随着打击速度的增加而减小;（2）结构层的能量分配比例具有随着撞击速度增加而减小的趋势,这可以初步归结为竖向冲击动能在遮弹层和分配层的横向传递;（3）一定条件下,通过增加空气隔层可以减小结构层的侵彻深度、结构层分配能量的比例和绝对值。     

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。

     

斜侵彻混凝土靶的刻槽弹体的结构响应

基于刚塑性理论和侵彻载荷理论分析,将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁,给出了弹体在侵彻混凝土早期的刚体响应行为,得到了弹体任一截面弯矩、剪力以及屈服函数的分布规律。基于此理论分析,得到了刻槽弹体壁厚、材料屈服强度、初速及倾角对弹体弯曲的影响规律。     

前置组合杆体垂直侵彻钢靶简化模型

针对均质长杆体侵彻能力提高陷入瓶颈的问题,设计了由高密度钨合金和高硬度碳化钨组合的新型前置组合杆体。通过试验和数值模拟验证,前置组合杆体能利用材料的不同性能,在稳定侵彻阶段形成更尖锐头部形状,从而提高侵彻能力。根据试验和数值模拟结果,描述了前置组合杆体垂直侵彻钢靶的物理图像,将前置组合杆体侵彻划分为开坑段、组杆段和单杆段三部分,分别建立其各自侵彻阶段的理论模型,最终得到前置组合杆体总侵彻深度计算模型。通过与试验和数值模拟结果对比,验证了该模型的合理性。

     

基于细观混凝土模型的刚性弹体正侵彻弹道偏转分析

为研究混凝土细观因素对刚性弹正侵彻弹道偏转的影响,基于骨料随机投放的思路建立混凝土三维细观几何模型,分析刚性弹正侵彻过程中发生弹道偏转的原因及可能影响因素,定量讨论混凝土细观因素对弹道偏转的影响。结果表明:混凝土细观数值模型可以较好地反映弹体正侵彻过程中弹道偏转等典型物理现象,且细观参数对于弹体弹道偏转有显著影响。刚性弹正侵彻细观混凝土时,存在一个弹体直径/骨料最大粒径比的特征比值。