混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析

高速侵彻时,弹靶之间发生强烈的局部作用,引起弹体头部发生质量侵蚀,从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中,混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析,进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料,引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ1代替骨料的莫氏硬度H,给出无量纲骨料修正因子β,建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好,更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。     

考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土模型及算法研究

现有试验表明:当弹丸侵彻速度低于1000m/s时,因侵彻过程中与混凝土会发生摩擦碰撞,其中损失的质量的总量与弹丸初始侵彻的动能成线性关系。本文利用此侵蚀规律提出了一种考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土靶侵彻模型及算法,此模型中弹丸侵彻阻力由空腔膨胀理论模型计算。采用本文的模型预测了弹丸侵彻混凝土过程中的弹丸头部形状的变化、质量损失、侵彻深度等,将模型计算结果与实验数据对比发现,侵彻深度误差小于10%,质量损失误差在15%以内,表明了模型具有良好的精度和实用性。     

卵形头弹体对素混凝土高速侵彻的实验研究

利用二级轻气炮装置,选取材料为38CrMnSi的卵形头弹对素混凝土靶体进行了撞击实验。根据得到的实验数据以及实验后回收的弹体和靶体,分析了动能弹高速侵彻素混凝土时的弹靶响应特性,包括弹体质量损失规律及其机理、靶体损伤特征和侵彻深度随速度的变化规律。结果分析表明,弹体侵彻素混凝土靶体过程包括锥型弹坑阶段和隧道稳定阶段,从较低速到高速侵彻,弹体发生了CRH变小、头部半球化和锥形化的特征性现象,并伴随着不同程度的质量损失,由此引发侵彻深度在高速侵彻时较小的波动。进一步引用弹体侵彻混凝土靶响应模型进行了理论分析,发现在较低速撞击时,利用模型计算得到的值与实验结果比较吻合,而高速撞击条件下偏差则较大,需要考虑弹体头部形状变化对侵彻响应结果的影响。     

弹体高速侵彻混凝土靶质量损失和头形钝化的数值模拟研究

弹体高速侵彻混凝土靶体时,弹靶间相互作用引起的弹体质量损失和头形钝化效应能够导致弹体结构和弹道严重失稳,从而降低弹体侵彻效能.假设侵彻过程中靶体对弹体的摩擦功全部转化为引起弹体表面材料熔融和剥离的热能,弹靶间摩擦为一般形式的摩尔库伦摩擦,论文建立了考虑质量损失和头形钝化的半刚性弹二维弹道的计算方法并编制了相关程序,该程序避免了采用速度相关摩擦系数得到摩擦功解析解的困难,并可计算侵彻过程中所有参数(侵彻深度、质量损失、速度、加速度等),且可直接推广应用于斜侵彻问题.在此基础上,讨论了指数衰减和零滑动摩擦系数形式,通过对比弹体质量损失和侵彻后头形钝化计算结果与实验数据,验证了论文方法从适用范围、物理意义和理论基础方面的适用性和优越性.数值计算结果表明,将滑动摩擦系数取为零忽略了弹靶间摩擦力与侵彻瞬时速度的关系,故其进一步推广应用有待商榷.     

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。     

高速侵彻混凝土弹体的形状演化模拟

高速侵彻时, 弹靶间摩擦力所做功全部转变为热并作用于弹体, 假设弹体质量损失来源于弹体表面材料熔化脱落, 可以预测弹体总质量损失. 结合分析得到的弹靶间摩擦功与压力轴向功关系, 通过相应的弹体质量损失分析, 获得侵彻过程中弹体表面各点的回退位移(垂直于弹体轴心线方向), 实现弹体形状演化的模拟. 弹体形状、侵彻深度及质量损失的计算结果均与实验结果基本吻合.      

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。     

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和冲击成坑+钻孔区两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运 用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状 变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参 数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的 侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分 析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。     

基于Archard理论分析弹体质量侵蚀

基于模具与工件磨损中的Archard粘着磨损理论,分析弹体表面微粒的细观塑性变形,建立弹体质量侵蚀表征模型,运用动态空腔膨胀理论得到弹体表面应力,再通过差分计算得到高速侵彻中弹体宏观轮廓的钝化回退过程。计算得到的弹体外部轮廓、质量损失及侵彻深度等参数与实验结果基本吻合。结果表明;弹体侵蚀效应对侵彻时间和深度的影响随着撞击速度的增大愈加显著;弹体侵彻过程中最大过载与刚性条件下有较大区别,提高弹体材料的屈服强度能有效减少侵彻过程中弹体的质量损失,提高最终侵彻深度。     

弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀实验研究

为研究弹体高速侵彻混凝土过程中质量侵蚀规律及特性,开展了一系列实验研究,进行了不同速度(800～1500m/s)侵彻不同强度(C30～C80)混凝土试验,根据试验结果拟合出了既定材料弹体质量侵蚀同侵彻速度之间的对应关系。试验结果还表明:(1)对于该种材料弹体,当侵彻速度小于1200m/s时,弹体侵蚀量不仅同Vs2(动能)呈线性关系,也随混凝土强度的提高而增加;(2)对于材料为60Si2Mn的弹体,其理想侵彻速度为1100m/s～1200m/s之间;高于该速度,质量侵蚀严重,弹体侵彻能力急剧下降;(3)弹体质量侵蚀主要发生在头部,当侵彻速度较低时,磨损是导致弹体质量损失的主要因素;当侵彻速度逐步提高,超过某临界值时,熔融和磨损是导致弹体质量损失主导因素。     

Analyses of the penetration process considering mass loss

Based on the dynamic cavity-expansion theory and momentum theorem, the key parameters of projectile penetrating into concrete target, i.e., the penetration time and time histories of DOP, deceleration, mass loss, instant mass loss rate and nose shape, are obtained by incremental calculation considering mass loss of projectile. The calculation results are consistent with the experimental results. Due to the mass loss and thus nose blunting effects, the pulse shape of deceleration may be quite different from that obtained in the analysis of a rigid projectile, and then the dissimilarity is analyzed. It is found that the pulse shape of deceleration is determined by the drag force and essentially determined by the performances of target and projectile, i.e., the shear strength of target, the Moh’s hardness of aggregate in concrete and the CRH value of projectile nose. Further analysis indicates that the pulse shape of deceleration is more sensitive to the performance of target than that of projectile.     

Stability analyses of the mass abrasive projectile high-speed penetrating into concrete target. Part Ⅱ： Structural stability analyses

The initial oblique and attacking angles as well as the asymmetrical nose abrasion may lead to bending or even fracture of a projectile,and the penetration efficiency decreases distinctly.The structural stability of a high-speed projectile non-normally penetrating into concrete and the parametric influences involved are analyzed with the mass abrasion taken into account.By considering the symmetrical or asymmetrical nose abrasion as well as the initial oblique and attacking angles,both the axial and the transverse drag forces acting on the projectile are derived.Based on the ideal elastic-plastic yield criterion,an approach is proposed for predicting the limit striking velocity（LSV）that is the highest velocity at which no yielding failure has occurred and the projectile can still maintain its integral structural stability.Furthermore,some particular penetration scenarios are separately discussed in detail.Based on the engineering model for the mass loss and nose-blunting of ogive-nose projectiles established in Part I of this study,the above approach is validated by several high-speed penetration tests.The analysis on parametric influences indicates that the LSV is reduced with an increase in the asymmetrical nose abrasion,thelength-diameter-ratio,and the concrete strength,as well as the oblique and attacking angles.Also,the LSV raises with an increase in the initial caliber-radius-head（CRH）and the dimensionless cartridge thickness of a projectile.     

考虑质量磨蚀的高速侵彻弹体的壁厚设计

针对弹体高速正侵彻和斜侵彻混凝土/岩石半无限靶,基于考虑弹头质量磨蚀的弹体轴向阻力计算方法,结合弹体在非对称质量磨蚀及斜侵彻条件下所受的横向作用力,给出了高速弹体在正侵彻和斜侵彻两种状态下弹体结构屈服的分析方法,得到了在给定弹体壁厚条件下保持弹体结构稳定性的弹体极限初始撞击速度的要求,并讨论了不同的弹靶组合条件对弹体极...     

Modeling on mass abrasion of kinetic energy penetrator

An engineering model on mass abrasion of kinetic energy penetrator is presented to predict the nose shape and mass loss of the residual projectile after high-speed penetration into concrete. The experimental analysis indicates that the kinetic energy of penetrator (i.e., mass and velocity of projectile) and the hardness of aggregate of concrete significantly affect the mass abrasion of projectile. A theoretical upper limit exists for the mass loss. More general relationship between mass loss and impact function I of projectile is constructed. Graphical discussion declares that the most mass loss occurs on the nose of the projectile and the eroding nose approaches to an ogival shape with a smaller value of caliber-radius-head (CRH). A relative rate of mass abrasion on ogive-nose is further defined and analyzed. The mass loss from abrasion on kinetic energy (KE) penetrator may be evaluated through the variation of nose shape.     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。     

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。     

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。