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.      

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。

     

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。     

柱形长杆弹侵彻的界面击溃分析

在Alekseevski-Tate模型的基础上,分析了柱形长杆弹的界面击溃过程,给出了弹体速度下降及质 量侵蚀的计算公式;讨论了弹体速度下降及质量侵蚀对动能损失的影响;特别针对柱形长杆弹在界面击溃过 程中弹体速度准定常小量变化的特点,近似给出了弹体速度、弹体质量随时间变化的简化解析表达式,为工程 应用提供便利。     

新型反应装甲结构对长杆弹小法线角侵彻的干扰分析和防护效能

针对防御小法线角入射的长杆弹的需要而设计出了一种新型反应装甲结构。通过分析新型反应装甲结构对长杆弹运动速度和姿态的干扰,得出在长杆弹质量守恒的情况下的动力学方程,并进行反应装甲抗长杆弹侵彻实验。结果表明,新型反应装甲能够有效的干扰小角度长杆弹的飞行姿态并造成动能损失,可提高对长杆弹的防护效果。     

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。     

长杆和分段杆侵彻的数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA程序,采用Lagrange方法和Johnson-Cook本构模型,对长径比为5的平 头钨合金长杆弹、分段体长径比为1的理想分段杆和带套筒的分段杆侵彻半无限厚钢靶进行了三维数值模 拟。给出了侵彻过程中典型时刻的物理图像,并对3种杆的侵彻性能进行了比较。结果表明:分段杆侵彻深 度的主要贡献在相Ⅲ惯性扩孔阶段而非连续长杆的相Ⅱ准定常侵彻阶段;分段间隔对侵彻深度的增加有显 著影响;套筒的贡献主要在于弹坑直径的增加而对侵深影响微小。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据,基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验,弹体质量为5.4 kg,靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种,混凝土抗压强度为50 MPa,弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s,实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型,结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律,很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象;数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好,实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

计及热传导影响对长杆弹侵彻陶瓷靶的数值分析

采用有限元方法离散瞬态热传导方程,编写成侵彻过程热传导计算模块,并将之嵌入已有的冲击动力学程序中,然后运用于长杆弹在900~1 800 m/s着速范围内侵彻AD95陶瓷靶的数值分析,得到了符合物理事实的计算图像,所得的计算结果比采用传统的绝热模型得到的计算结果更符合实验结果。探讨了计及热传导效应对长杆弹侵彻AD95陶瓷靶数值模拟的影响:着速在900~1 350 m/s范围内时,计及热传导的数值计算所得侵深小于绝热模型计算结果;着速在在1 350~1 450 m/s范围内时,两种模型计算侵深接近;着速在在1 450~1 800 m/s范围内时,热传导模型计算侵深大于绝热模型计算结果。     

弹体对超高性能混凝土侵彻深度的研究

为了评估超高性能混凝土（UHPC）的抗侵彻性能,对UHPC靶板进行了侵彻试验与数值模拟。首先,利用Φ35 mm火炮对抗压强度为160 MPa的UHPC靶板开展了216～345 m/s速度下的弹体侵彻试验,结果表明：随着弹体速度的增加,侵彻深度与开坑直径皆有明显增加。随后在数值模拟过程中,确立了UHPC的RHT材料模型参数,为了验证材料模型的有效性,采用单轴压缩与霍普金森压杆试验结果对三维有限元模型进行了验证,模拟结果与实验结果吻合良好,表明参数选取科学合理。最后,对弹体侵彻UHPC的过程进行数值模拟,参数化分析了UHPC抗压强度、弹体质量、侵彻速度、弹径、弹头形状对UHPC侵彻深度的影响,并据此推导出弹体对UHPC侵彻深度计算公式。     

高速杆式弹体侵彻下蓄液结构载荷特性的有限元分析

为探讨高速弹体侵彻下蓄液结构的防护方法,采用瞬态非线性有限元,研究了高速杆式弹体侵彻下蓄液结构承受的冲击载荷特性,分析了冲击载荷的作用过程、前后板承受的载荷强度及其弹体初速度和水域尺度的影响。结果表明:弹体在蓄液结构中的初始开坑作用,将形成入射冲击波,其压力峰值极高,但作用时间短,并将在液体内产生多次反射;弹体在液体中的侵彻,将产生空化,并形成峰值小、作用时间长的空化压力载荷;后板对液体流的阻碍作用将形成出口局部高压;入射冲击波和出口局部高压的强度随着弹体初速度的增加而增大,随着水域长度的增加而不断减小。根据所受冲击载荷特性的不同,将前、后板分别划分为3个不同的区域,并建立了每个分区的简化计算模型。     

An engineering formula on the calculation of oblique penetration by long-rod projectile

Based on the concept supposed in this paper that damage of a target is determined by momentum rather than by stress, an engineering .formula on the calculation of oblique penetration by long-rod projectile is established. The results calculated from this formula show good agreements with experimental data.     

侵彻过载实测数据的滤波及弹体侵彻刚体过载的确定

研究了对实测侵彻过载数据进行低通滤波以确定侵彻刚体过载的方法,提出了临界截止频率的概念,确定了临界截止频率和相对应的刚体过载。由此方法确定的最大刚体过载值与半经验方法预示的最大刚体过载值符合较好。     

非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律研究

高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题,受原型试验的成本限制,利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况,研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律,提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明：侵彻半无限厚混凝土靶条件下,非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件;贯穿多层薄靶的条件下,通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况,合理设计缩比弹体结构,可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。

     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明：将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。

     

破碎发射药形状特征量的计算方法

分析了发射药形状特征量与密闭爆发器试验中发射药的燃烧压力曲线之间的关系,提出了估算破碎发射药形状特征量的方法,并给出了确定发射药形状特征量的详细步骤。对通过落锤实验得到的不同破碎程度的发射药进行了密闭爆发器实验,并利用建立的方法计算了该发射药的形状特征量,计算结果与实验结果吻合较好。     

基于重力场特征参数信息熵的适配区选择方法

针对当前重力统计特征参数类别繁多,选择标准复杂而导致错选有效匹配区域的问题,利用信息熵具有能够整合多种统计参数且算法计算量小的特点,提出了一种基于特征参数信息熵的重力辅助导航适配区的选择方法。首先,在DTU10模型下将该方法与传统单一特征参数的方法进行比较,确定了传统方法的确会错误选择可匹配区,从而也反映了所提出方法的优越性;其次,在该方法划分出的匹配区和非匹配区中分别设计了8条仿真航线,匹配区中仿真航线的匹配效果明显优于非匹配区中的匹配效果。仿真结果表明了该方法的有效性。     

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°。