考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻与穿透的理论研究

 研究了锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻和穿透性能,在局部化破坏模式假定的基础上改进了Wen提出的能量简化分析模型。改进模型仍假设弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力由靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力和速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的阻力不再是一个常数,而是侵彻速度的函数。并由此推导出了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的侵彻深度、残余速度和弹道极限速度的公式。理论预测与实验结果符合得很好。     

可变形弹丸贯穿铝合金靶的数值模拟

 采用显式动态有限元商业软件ABAQUS/Explicit对可变形卵形弹丸正贯穿和斜贯穿有限厚度铝合金靶的过程进行了有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论,将靶体对侵彻的影响用一个作用在弹体表面的力函数代替,同时考虑了有限厚度靶自由表面的影响,并对空穴膨胀得到的力函数进行了修正。这样在进行数值模拟时就无需对靶体划分网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大为简化。最后,用VAR4340钢弹贯穿6061-T651铝合金靶板得到的数值模拟结果与实验结果进行了比较,二者基本吻合。     

弹体侵彻混凝土开坑阶段阻力的计算

为了研究弹体侵彻开坑过程中弹头表面阻力,采用应力波表层损伤理论分析了混凝土开坑区的侵彻特性,并在应力波反射形成层裂的基础上解释了靶面成坑机理,建立了计算开坑区弹头表面阻力的新模型,通过数值仿真和实验方法对新模型进行验证。结果表明:数值模拟和实验与新模型的计算结果吻合较好,开坑过程中弹体表面阻力与速度和弹体头部形状有关。新模型能够较好地描述开坑深度与速度的关系,适用于弹体侵彻混凝土靶的阻力计算,克服了Forrestal半经验法的不足。     

高速碰撞问题的三维SPH数值模拟

以刚性弹体斜侵彻厚靶问题的三维SPH数值模拟研究为工作重点。以三维拉氏有限元流体动力学程序为基础，建立了适用于长杆弹斜侵彻问题研究的刚性弹体与SPH靶体相互耦合的三维数值模拟程序。     

卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

 基于球形空穴膨胀理论（SCE）,采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无须划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹,靶体为6061-T6511铝合金。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角等实际情况,并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,发现模拟结果与实验结果吻合得很好,并得到了一些有意义的推论。     

弹体贯穿钢筋混凝土板有限元模型比较分析

为研究钢筋对混凝土靶侵彻作用的影响,基于混合物理论,建立了钢筋混凝土的等效混合物模型,同时还建立了将钢筋等效为钢板和素混凝土板的有限元模型,并通过弹体贯穿剩余速度、靶体压力场对两种方法进行比较,分析侵彻作用过程。计算结果表明:基于混合物理论的等效钢筋混凝土混合物模型能够较好地反映侵彻时钢筋的作用,既可以满足计算精度,又能够简化建模过程,提高计算效率,是进行侵彻数值分析的有效简化方法;钢筋混凝土板自由表面附近的钢筋分布能够提高靶对弹体的阻力,但其作用效果有限。     

刚体与SPH耦合的三维数值方法研究

 研究了刚性体与SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法相耦合的计算方法和技术,以此技术为核心,在原有三维综合拉氏程序CL3D的基础上,研制了适用于斜侵彻问题数值研究的刚性弹体与SPH靶体耦合计算的拉氏三维数值模拟程序CRSPH3D。针对金属材料编入了Johnson-Cook本构模型计算模块,针对混凝土材料编入了Johnson-Holmquist本构模型及与之配套的损伤模型和状态方程等的计算模块。用研制的计算程序对弹体分别正碰和斜碰穿透中厚铝靶和侵彻厚混凝土靶的过程进行了数值模拟计算和分析。结果表明,对于铝靶穿透问题,模拟计算得到的弹体剩余速度、弹体动能损失和贯穿图像与实验结果符合得较好。对于混凝土靶的侵彻问题也得到了与实验现象一致的、定性合理的图像。     

弹体边界效应对2A12薄靶抗撞击性能影响的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立仿真模型,研究不同边界条件的弹体撞击2mm厚的2A12铝合金靶体,得出初始结构目标剩余速度和弹道极限速度。根据仿真结果,分析弹体边界效应对靶板失效模式以及抗侵彻性能的影响。研究结果表明,弹体的边界效应对于靶体的剩余速度影响很小,当弹体初速较高时几乎可以忽略不计,而对于靶体的失效模式影响则较大,内凹过渡弹体撞击靶体所产生的整体变形和裂纹扩展程度最高,其次分别为斜切过渡、外凸过渡和垂直过渡。此外,弹体的初始速度也会影响到靶体的结构变形,影响程度与弹体的边界效应有关。     

高速钨杆弹对脆性靶体的侵彻分析

 考虑脆性材料在高速弹体的侵彻下会发生破碎这一特性,将靶体材料划分为弹性-裂纹-破碎三个响应区,利用静态空腔膨胀理论求出了空腔膨胀压力,即修正的流体动力学模型（A-T模型）中的靶体阻力R_t。分析了压剪系数对靶体阻力和靶体应力场的影响。利用A-T模型求出了钨杆弹以1.5~4.5 km/s的速度撞击靶体时的侵彻深度,并与实验结果及其他研究者的结果进行了比较。     

分段PELE弹体冲击多层靶板数值分析

为了实现侵彻体对多层靶板的高效毁伤,采用数值模拟方法研究了分段式横向效应增强体(PELE)对4层金属靶的侵彻效应,获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。结果表明,分段PELE弹侵彻4层靶的靶后效果优于普通PELE弹。与金属杆相比,分段PELE弹侵彻多层靶后的弹孔直径更大。弹丸贯穿各层靶板后壳体的径向速度峰值随着靶板厚度的增加而增大,而壳体破碎长度并不随之线性变化。提高弹丸侵彻速度时,弹丸穿过第1层靶板后壳体破碎长度的变化趋势与径向速度峰值的变化相似,穿过第2层和第3层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值在侵彻速度为1.4km/s时达到极大值,随后下降,而穿过第4层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值随着初速度的增加而增大。     

弹头部结构对侵彻层合靶的影响

对4种不同头部形状杆式侵彻体斜侵彻层合靶过程,进行了数值模拟和试验研究。从开坑过程中质量的侵蚀情况以及靶后动能的角度,对开坑及侵彻能力进行评估。通过研究不同结构侵彻体对靶板斜侵彻的影响,得出了侵彻体动能随时间的变化规律。仿真和实验结果表明,不同头部结构对开坑作用有影响,继而影响后续杆体的侵彻过程。还发现铝风帽穿甲块头部结构对倾斜的层合靶侵彻最为有利,并对该头部的侵彻优势进行了分析,这将会对其它类似侵彻体头部结构优化提供一定的参考。     

GFRP复合三明治板在高速弹体冲击下的弹道极限预测（英文）

研究了玻璃纤维复合三明治板在圆柱形平头弹体打击下的预测弹道极限的理论预测方法。建立了玻璃纤维复合三明治板的三阶段侵彻模型,包括侵彻面板阶段、侵彻复合材料夹芯层阶段和侵彻内板阶段。基于高速弹体侵彻下靶板的局部变形假设建立了理论关系,将弹体侵彻复合材料夹心层时视为刚体处理,面板和背板的侵彻阶段考虑了弹体的墩粗效应和靶板的绝热剪切效应。基于能量平衡原理,推导了复合材料三明治板的弹道极限,并将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,研究了不同侵彻速度、弹体质量和夹心层厚度对弹道极限的影响。结果表明,理论计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验研究

为研究焊接薄壁侵彻弹体的技术可行性,进行了有限元数值仿真,并参考数值仿真结果设计了一组对比实验,利用100mm口径滑膛炮作为发射平台,开展了焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验。通过实验对比分析了4种不同焊接薄壁弹体的结构响应和靶板破坏情况,优选出了较佳的头部焊接工艺和位置,并对尾部连接方式的强度进行了考核。研究结果可为焊接薄壁弹体的结构设计提供参考。     

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820～1195 m/s速度撞击强度为31.0～43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2～2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。     

块石混凝土遮弹层界面对抗侵彻性能影响的数值模拟研究

基于三维细观建模方法和Kong-Fang混凝土材料模型,开展了某弹体侵彻块石混凝土遮弹层的数值模拟研究。采用块石与基体混凝土共节点建模和面面接触建模两种方式,探讨了界面对弹体过载、侵彻深度以及混凝土与块石损伤破坏的影响。数值模拟结果表明：块石与混凝土共节点建模方式强化了块石与混凝土间的界面效应,高估了靶体的整体性,而面面接触建模方式弱化了界面效应,故采用共节点建模方式时,弹体过载（加速度）偏大,侵彻深度偏小;采用共节点建模方式时,损伤区域沿C100混凝土和块石交界面发展,损伤区域连续,而采用面面接触建模方式时,损伤区域在弹道近区连续,近区与远区损伤不连续。基于数值模拟结果,进一步对块石混凝土遮弹层的工程设计计算提出了实用性建议。     

SPH方法在宽速域岩石侵彻问题中的应用

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对花岗岩靶板受碰撞侵彻的大应变、高应变率变形问题进行了数值模拟。为了描述弹目材料的非线性变形及破坏特性,对花岗岩靶板引入了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型及损伤模型,对弹体引入含损伤的Johnson-Cook(J-C)本构方程和Grüneisen状态方程,靶板与弹体均离散成拉格朗日粒子。通过自编程序仿真计算0～4 m/s的着靶速度下花岗岩靶板的三维侵彻过程,对比分析了钢珠在不同弹体条件下的侵彻结果,在固体侵彻、半流体侵彻和流体侵彻的区域内拟合了侵彻深度随着靶速度的变化曲线。数值计算结果显示,侵彻深度随着靶速度的增加在固体侵彻区间(v01421 m/s)呈现递增趋势,在半流体侵彻区间(1421 m/s?v0?1700 m/s)呈现递减趋势,在流体侵彻区间(v0 1700 m/s)呈现递增趋势并逐渐趋于平滑,达到峰值。