陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。     

剪切增稠液体液舱侵彻实验

为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能,制备特定规格剪切增稠液体,并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况,并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示,剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长,从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型,并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响,验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外,剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显,且相同初始弹速下,剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构,可显著提高液舱结构的防护性能。     

小攻角条件下动能弹体高速侵彻混凝土靶的弹体弯曲

将高速侵彻混凝土靶板的弹体简化为自由梁,应用弹体侵彻阻力和梁动态弯曲内力分析了由小攻 角产生的横向载荷导致的弹体弯曲。结果表明,弹体理论弯曲条件受弹体着靶前状态、弹体结构和材料控制。 理论计算证实弹体高速侵彻混凝土靶板时由于小攻角的存在会发生弹体弯曲变形,弹体侵彻实验结果表明 弹体弯曲位置和弯曲条件与理论分析结果相符。     

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。     

爆炸破片对防护液舱的穿透效应

分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算,提出了破片穿透液舱的5个典型过程,分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明:破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上,双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应,高压区域的位置与破片间距有关,冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。     

花岗岩块石浆砌结构抗弹丸斜侵彻/冲击性能实验研究

通过实弹射击试验,研究了花岗岩-钢筋混凝土复合靶板的抗侵彻/冲击性能.结果表明,该靶板具有较好的抗侵彻/冲击能力.与同等厚度的普通钢筋混凝土靶板相比,在射弹特性和撞击条件相同的情况下,该结构抗侵彻/冲击能力明显增强.对薄靶板而言,冲剪破坏为主要的破坏形式,增强抗剪能力,能够提高靶板抗侵彻/冲击能力.当弹体速度不高时,局部作用和结构整体响应之间一般有很强的耦合.该花岗岩-钢筋混凝土靶板局部既有一定的刚度,整体也具有一定的塑性,因此具有较好的抗弹体侵彻/冲击能力.这种结构施工简单,取材方便,造价相对低廉,具有一定的应用前景.     

全入射角度下平板冲击波的壁压载荷及局部空化特性

以平面波理论为基础,推导了无限平板在全入射角度下的冲击波壁压载荷计算公式,利用实验数据对壁压公式进行修正,提出了一种适用于计算有限尺度平板壁压的经验公式;分析了不同入射角度下壁压载荷的变化特性,初步研究了壁压载荷负压特性对平板局部空化的影响。结果表明:修正后的壁压曲线与实际壁压曲线吻合较好;入射角度的增大会加快壁压衰减过程,并使最低壁压的绝对值减小;随着药量或平板厚度的增加,壁压最低负压的绝对值增大,形成局部空化的能力增强;局部空化仅在一定条件范围内才会形成,空化范围受局部空化形成压力及冲击强度等因素的影响较大。     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。     

侵彻弹体快速烤燃安全特性实验研究

为了考核大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性,利用自行研制的快速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平吊在距航空燃油液面0.4 m的高度进行快速加热,实时采集弹体表面温度并拍摄实验过程,同时测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波超压,最后从加热时间、弹体表面温度、实验后现场破坏情况、反射冲击波超压峰值、反应机理及响应类型等方面对大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性进行了详细分析。实验结果表明:侵彻弹体在537 ℃高温中加热16 min 4 s后开始发生剧烈反应,且弹体内腔下方炸药最先响应形成热点,逐渐积聚的高温高压气体将壳体撕裂后快速泄压,在7 m处测量得到的反射冲击波超压峰值为33.622 kPa,远小于该弹体在空气中完全爆轰产生的冲击波超压峰值。综合判断该侵彻弹体的快速烤燃响应类型为爆燃,其安全特性满足要求。     

一种组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构毁伤的数值模拟及试验研究

为了研究组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理,基于LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合算法,对水下组合药型罩聚能装药战斗部侵彻体的形成以及穿靶过程开展研究,采用数值模拟等比例模型对水下组合药型罩聚能装药战斗部对靶板毁伤进行试验验证。研究结果表明,在偏心亚半球缺罩罩顶设计偏心亚半球形罩能够在侵彻体前端形成细长的杆式射流,可以增加整个侵彻体长度和头部侵彻体速度。在穿水和靶板过程中,利用头部杆式射流形成空腔帮助后续侵彻体低阻随进。对靶板毁伤过程的分析发现,与战斗部直接连接的第1层靶板将会受到侵彻体的高速冲击作用和爆炸波沿水介质传播过来的强冲击波联合作用,而随着水层厚度的增加,沿水中传播的爆炸冲击波强度会被迅速衰减,爆炸冲击波对后续靶板的作用变得不明显,主要为侵彻体的冲击作用。最后利用设计的组合药型罩结构开展了试验验证,对比分析了每层靶板的穿孔尺寸,试验结果与数值计算结果符合较好,最大误差小于15%。     

前抛体对弹体入水载荷影响数值模拟研究

弹体穿过气-液界面时因密度突变会遭受强冲击载荷,出现结构损伤或破坏。为降低弹体入水的冲击载荷,基于Rabbi降载思想,提出了一种在主弹体前附加前抛体的结构形式。运用S-ALE (structured arbitrary LagrangeEuler)算法和罚函数流固耦合方法进行空泡形态和弹体运动状态数值模拟,数值模拟结果与弹体入水实验图像吻合,验证了数值模拟算法的有效性;随后研究了前抛弹体的入水角度、主弹体与前抛体的无量纲入水时间间隔参数、前抛体尺寸、主弹体与前抛体的入水初速度对降载效果的影响。研究结果表明,前抛体垂直入水时存在前抛体和主弹体碰撞现象,不利于降载,甚至可能给主弹体带来更大的载荷;前抛体斜入水时可避免两弹体间的碰撞,具有良好的降载效果,最大降载率可达90%。在此基础上获得了降载效果最佳的无量纲入水时间间隔范围为0.8～0.9,在此范围内主弹体的降载效果随前抛体尺寸的增大和入水初速度增加而提高。     

高速杆式弹侵彻下蓄液结构的防护能力

为提高蓄液结构的防护能力,开展蓄液结构弹道侵彻实验,通过改变其前、后面板厚度配比,研究前、后面板不同厚度匹配对蓄液结构破坏模式、压力载荷特性及防护能力的影响。结果表明:弹丸初速是影响入射波压力峰值大小的主要因素。固定前、后面板总厚度不变时,随着前、后面板厚度比的增大,前面板破坏模式由剪切冲塞-薄膜鼓胀-凹陷变形转变为剪切冲塞-薄膜鼓胀直至剪切冲塞破坏,后面板破坏模式由隆起-碟形破坏转变为薄膜鼓胀-花瓣开裂破坏。前、后面板破坏模式是相互影响的,前、后面板厚度匹配关系决定了其相应破坏模式的发生。前面板薄后面板厚的蓄液结构吸收冲击动能更多,抗侵彻能力也更强。     

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用,这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中,然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰.本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例,开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究.基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型,构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型.给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程,并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解.基于三维Voronoi技术,建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟.通过与有限元模拟结果的对比发现,相较于经典的脉冲加载模型,耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律,也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强.当泡沫子弹的初始动量相同时,由于子弹自身的压溃行为,子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响.最后,通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略.所构建的耦合分析模型为研究泡沫...     

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s）,研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。     

Air entrapment during a high-speed liquid jet entry in a deep water surface

The fluid dynamic phenomena of a high speed liquid jet impact on a deep water surface have been studied using Imacon high-speed photography. Both framing and streak techniques are applied to investigate the initial impact stage and penetration velocity. The cavitation caused by air entrapment between two colliding liquid surfaces has been found. The bubble collapse experiences different stages in relation to the contact area, liquid shock wave, release wave and fluid convection.     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。