PREDICTION OF PROJECTILE PENETRATION AND PERFORATION BY FINITE CAVITY EXPANSION METHOD WITH THE FREE-SURFACE EFFECT

With a target treated as the incompressible Tresca and Mohr-Coulomb material, by assuming that cavity expansion produces plastic-elastic and plastic-cracked-elastic response region, the decay function for the free-surface effect is constructed for metal and geological tar- gets, respectively. The forcing function for oblique penetration and perforation is obtained by multiplying the forcing function derived on the basis of infinite target assumption with the de- cay function. Then the projectile is modeled with an explicit transient dynamic finite element code and the target is represented by the forcing function as the pressure boundary condition. This methodology eliminates discretizing the target as well as the need for a complex contact algorithm and is implemented in ABAQUS explicit solver via the user subroutine VDLOAD. It is found that the free-surface effect must be considered in terms of the projectile deformation, residual velocity, projectile trajectory, ricochet limits and critical reverse velocity. The numerical predictions are in good agreement with the available experimental data if the free-surface effect is taken into account.     

弹体在内摩擦介质中的斜侵彻深度计算

考虑介质处于内摩擦状态下,利用球腔膨胀理论及内摩擦介质侵彻近区运动方程求得刚性弹体在侵彻过程中的阻力。在此基础上,考虑自由表面对弹体斜侵彻的影响,将斜侵彻分为3个阶段,推导了斜向侵入弹体表面上任一点的应力公式,进而得出了新的刚性弹体的斜侵彻解析解。该解与别列赞公式在形式上一致,计算结果也符合较好,从而在理论上对别列赞经验公式进行了解释。     

月牙形空腔结构金属靶的抗弹性能分析

为提高金属靶的抗弹性能,设计了一种含有月牙形空腔结构的金属靶。利用ABAQUS软件对月牙形空腔结构在12.7 mm穿甲燃烧弹弹芯侵彻下的弹体偏转性能进行了数值模拟研究,讨论了月牙形状、弹着点和空间排布对弹体偏转效果的影响。结果表明:月牙形状对弹体的偏转效果有显著的影响;空腔结构在不同弹着点表现出不同的弹体偏转性能,处于空腔胞元最薄弱处附近的弹着点弹体偏转角度明显小于其他位置;空腔胞元空间排布的非对称化处理能够提升空腔结构对子弹的偏转效果。     

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°。     

Finite Spherical Cavity Expansion Method for Layering Effect

A decay function for the layering effect during the projectile penetrating into layered targets is constructed, which is obtained via the theoretical solution of a dynamically expanding layered spherical cavity with finite radius in the layered targets that are assumed to be incompressible Mohr-Coulomb materials. By multiplying the decay function with the semi-empirical forcing functions that account for all the constitutive behavior of the targets, the forcing functions for the layered targets are obtained. Then, the forcing functions are used to represent the targets and are applied on the projectile surface as the pressure boundary condition where the projectile is modeled by an explicit transient dynamic finite element code. This methodology is implemented into ABAQUS explicit solver via the user subroutine VDLOAD, which eliminates the need for discretizing the targets and the need for the complex contact algorithm. In order to verify the proposed layering effect model, depth-of-penetration experiments of the 37 mm hard core projectile penetrating into three sets of fiber concrete and soil layered targets are conducted. The predicted depths of penetration show good agreement with the experimental data. Furthermore,the influence of layering effect on projectile trajectory during earth penetration is investigated. It is found that the layering effect should be taken into account if the final position and trajectory of the projectile are the main concern.     

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。     

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。     

头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验与理论模型

在综合考虑弹体结构稳定性及截面比动能的前提下, 提出一种介于尖卵形弹体及尖锥形弹体间的头部对称刻槽弹体, 以期达到提高侵彻深度的目的。以尖卵形弹体侵彻深度为基准, 开展头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验。在此基础上, 推导得到可描述头部对称刻槽弹体侵彻2A12铝合金靶过程的局部相互作用模型。同时, 结合头部对称刻槽弹体侵彻后靶体破坏现象, 提出适用于头部对称刻槽弹体的靶体响应力, 进而确立头部对称刻槽弹体的侵彻深度模型。实验结果与理论计算表明, 头部对称刻槽弹体具有相对于尖卵形弹体更好的侵彻能力。头部对称刻槽弹体侵彻深度提高的原因是弹体头部结构截面比动能增加及其侵彻过程中的靶体弱化效应, 其中弱化效应是侵彻深度提高的主控因素。     

A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的试验研究

为了研究破片模拟弹的终点弹道效应,进行了不同质量A3钢钝头弹(弹径25 mm)撞击45钢板的试验研究,其中A3钢强度弱于45钢。在约200～800 m/s的撞击速度范围内,随着撞击速度的增加,分别观察到弹体出现泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效及靶板冲塞穿甲三种破坏模式。伴随弹体和靶体经历的不同结构破坏模式,弹材和靶材也经历着相当复杂的材料失效。     

碎片对铝合金薄板抗侵彻性能影响数值仿真研究

利用ABAQUS 有限元软件,采用合适材料参数及准则,建立平头弹及碎片撞击2A12-T4铝合金靶板的数值仿真模型。通过改变弹体与碎片之间的相对位置,研究弹体撞击靶板过程中碎片对其抗侵彻特性的影响规律及机理。通过数值仿真计算,分析弹体对靶体的撞击物理过程及失效机制。基于数值仿真计算结果可以发现,碎片对靶体抗侵彻性能受弹体速度以及弹体与碎片之间的相互位置等因素共同作用。对于靶体的抗撞击性能,弹体与碎片之间接触面积存在一个最佳值,接触面积太大或者太小都会减小靶板的损伤面积,从而减少撞击过程中靶板吸收的能量。     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

大长细比结构弹体侵彻2024-O铝靶的弹塑性动力响应

为研究大长细比结构弹体在撞击典型硬目标早期的结构动力学响应,利用57轻气炮进行了直径1.4 cm、量纲一壁厚0.1和0.15、长细比8和12、头部系数3和4.5的卵形空心弹体对2024-O铝靶的侵彻实验研究,利用高速摄影系统记录了弹体撞靶过程,观察到大长细比弹体垂直撞击硬目标过程中的局部墩粗、塑性屈曲2种结构破坏模式,以及斜侵彻过程中的整体塑性弯曲、弯曲与墩粗耦合、弯曲与屈曲耦合3种结构破坏模式和实时动力学响应过程。基于对指数硬化材料的空腔膨胀理论建立了弹体垂直侵彻模型,给出了在轴向及横向载荷交互作用下计算刚塑性自由梁危险截面屈服函数的控制方程,计算值与实验结果吻合较好。     

动能深侵彻弹的力学设计(III):缩比实验分析

开展了25 mm火炮小尺寸缩比弹的正/斜侵彻实验。给出了实验方法、建议弹型和混凝土靶的设计。在620～820 m/s实验速度范围内,缩比弹结构保持完整。结合动能深侵彻弹的力学设计理论和笔者先前的理论工作,对正/斜侵彻的实验结果作进一步的总结,包括着靶姿态、靶体终点效应以及弹体结构变形。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

基于机械振动理论的垂直侵彻弹靶作用模型

为了给侵彻引信抗高过载优化设计提供准确的力学输入,将机械振动理论引入侵彻过程建模领域,提出了一种侵彻战斗部刚体运动与一阶轴向振动相结合的垂直侵彻弹靶作用模型。在垂直侵彻过程受力分析的基础上,基于牛顿第二定律建立了战斗部刚体运动模型,基于单自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了战斗部一阶轴向振动模型,并采用数值积分的方法获得了垂直侵彻过程中各物理量的变化规律。和火炮试验实测加速度信号的对比分析结果表明:考虑战斗部一阶轴向振动后的垂直侵彻弹靶作用模型能更准确地描述侵彻过程,能更有效地指导侵彻引信的抗高过载优化设计。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

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...     

钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究

为了研究碳纤维复合材料板（CFRPs）在斜侵彻下的抗弹性能,利用一级轻气炮对碳纤维复合材料板进行了70~280 m/s速度范围的0°、30°和45°的侵彻贯穿实验,通过高速摄影技术测量了弹体速度和弹道轨迹。分析了冲击角度对弹道极限、能量吸收和弹道偏转的影响。结果表明:在冲击能量较低时,靶板在正冲击下的能量吸收率比斜冲击高,而当冲击能量较高时则恰好相反;此外,由于弹体穿过层合板的穿透长度随着冲击角度的增加而增加,弹道极限随着冲击角度的增加而增加;而冲击角度对弹道偏转的影响则随着冲击速度的变化而变化。     

Penetration of sandwich plates with hybrid-cores under oblique ballistic impact

The oblique penetration performance of lightweight hybrid-cored sandwich plates are investigated numerically. To compose the hybrid-core, ceramic prisms are inserted into pyramidal metal lattice trusses and fixed using epoxy resin. Three-dimensional finite element simulations are carried out for the hybridcored sandwich impacted at 15°, 30°, 45°, and 60° obliquity by a hemispherical projectile. The ballistic limit, the energy absorbed by the constituting elements, and the critical oblique angle are quantified. The physical mechanisms underlying the failure and the influence of fundamental system parameters are explored. The angle of obliquity is found to have significant influence on the ballistic trajectory and erosion of the projectile, thus it is important for the impact response and penetration resistance of the sandwich. For oblique angles equal to or larger than 45°, the projectile moves mainly horizontally and can not effectively penetrate across the sandwich.     

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。