反应装甲与陶瓷复合装甲集成技术研究探讨

为了得到抗弹性能较好的装甲,将反应装甲与陶瓷复合装甲集成。由长杆弹侵彻复合装甲的理论和撞击反应装甲时的动量定理,得出计算模型。据此模型进行了侵彻深度的数值计算,并证明相同面密度的集成装甲的抗弹性能明显优于陶瓷复合装甲。根据此计算模型对集成装甲进行优化设计,以得到较轻和抗弹性能较好的装甲。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

钨合金长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟

用自编计算程序给出了长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟。其中层合板的面板和背板均为装甲钢,中间为3层氧化铝陶瓷。装甲钢和长杆弹材料的本构关系采用Johnson-Cook模型,将Mohr-Coulomb盖帽模型与Bodner-Partom模型相结合来描述氧化铝陶瓷的失效和流动过程。为了提高有限元的计算精度,使用了一致质量矩阵迭代法,破坏网格的处理采用了网格侵蚀法。数值模拟的最终穿深计算结果与实验一致。     

尖锥头长杆弹侵彻的界面击溃分析

在Alekseevski-Tate模型基础上, 理论分析了尖锥头长杆弹的界面击溃过程, 分别给出在锥头侵蚀阶段和弹身侵蚀阶段的弹体速度下降及质量侵蚀计算公式; 随后分析弹体的动能损失, 讨论半锥角对弹体动能损失的影响. 通过分析小子弹撞击陶瓷/金属复合靶板的例子, 验证了该理论的正确性, 并对比分析了尖锥头长杆弹与小子弹及平头长杆弹在界面击溃中动能损失之间的差异.      

运动板干扰长杆体分析模型

通过对长杆体与运动板相互作用物理过程分析,在长杆体与半无限靶板高速碰撞的理论模型基础上,建立了长杆与运动板作用直径损失模型,并应用杆体直径损失量来定量地描述运动薄板干扰过程,初步得到了实验和数值模拟结果验证,为研究长杆弹与运动靶板相互作用提供理论基础.     

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。     

长杆弹撞击陶瓷靶的一种数值模拟方法

陶瓷材料具有高强度和低密度等特点,抗弹性能优越,被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象,是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型,采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法,模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷,通过改变长杆弹的撞击速度,得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合,综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明,在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法,需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟,不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。     

铝质舰体轻型复合装甲试验研究

以纤维增强复合材料（FRP）层合板前置铝板模拟铝质舰体轻型复合装甲结构,对采用不同增强纤维FRP层合板有间隙复合装甲结构进行7.62 mm制式尖头弹打靶试验。基于FRP抗弹机理的分析,着重讨论了入射角度和增强纤维种类对组合装甲结构抗弹性能的影响,对铝质舰体设置轻型复合装甲以抵御小口径武器攻击的可行性进行评估。     

钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能研究

结合穿甲实验，基于复合材料细观有限元模拟，系统开展针对钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能的研究，并与复合材料长杆弹进行对比分析。结果表明，相对于复合材料长杆弹显著的穿甲“自锐”行为和优异的侵彻性能，复合材料分段弹体在侵彻过程中的“自锐”特性有所减弱，且弹体结构容易发生分散，进而导致弹体侵彻能力明显降低。另外，分段数目和分段间隔等因素对复合材料分段弹体的侵彻性能具有一定影响，但总体而言，不同构型分段弹体的侵彻能力均弱于复合材料长杆弹。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

低侵彻手枪弹入水侵彻性能数值模拟研究

利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟技术,对国产9 mm手枪弹头进行了2种新的设计,使其具有了高杀伤、低侵彻的性能。这两种设计完成的新弹型分别为软尖弹和空尖弹。通过对3种弹型入水过程的数值模拟,获得了他们的速度衰减曲线、位移曲线、相对动能曲线以及形成的瞬时空腔。其中,获得的正常手枪弹头的速度衰减曲线和实验速度衰减曲线相差很小。对获得的结果进行比较可以得出结论:在低侵彻性和高杀伤性方面空尖弹是优于软尖弹的。同时,通过对空尖弹斜入水进行计算可以得出结论:空尖弹在斜入水的过程中其弹道将会发生相应偏移。     

圆柱形弹体Taylor撞击方法研究

研究了圆柱形弹体垂直撞击刚性靶体的Taylor撞击问题,提出了弹体撞击过程中未发生变形部分的速度变化规律,即二次非线性变减速运动,并通过弹体的运动方程对Taylor撞击进行了理论分析;同时利用再生核质点法(Reproducing kernel particle method,RKPM)对Taylor撞击过程进行了数值分析。利用该理论对五种具体材料进行分析,结果表明,解析结果与试验结果及数值分析结果吻合较好。     

基于Griffith强度理论的空腔膨胀模型与应用研究

根据混凝土材料受高速冲击时产生大量碎裂的特点,假设其粉碎(塑性)区介质服从Griffith 强度理论,发展了弹丸深侵彻混凝土靶的动态空腔膨胀模型,建立了弹丸深侵彻理论计算公 式. 对比表明：基于Griffith强度理论的球形动态空腔膨胀模型的计算结果与实验数据吻合 较好.     

Surface roughness effect on the aerodynamic characteristics of a blunt body

Conclusion The use of a smooth surface, for small projectiles, may lead to a reduction of drag at zero angle of attack. However, for specific configurations, especially those with blunt aft sections, an adverse normal force characteristic may develop, causing stability problems, similar to the one described by Schneider (1978). On the other hand, a skilful use of the separation-zone motion could serve as a maneuvering tool for unguided projectiles that are required to perform a search motion, and a built-in instability could maintain the desired motion.     

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...     

长杆高速侵彻的特征控制参量分析

针对理想长杆侵彻,通过对长杆侵彻Alekseevskii-Tate模型近似解进行分析,指出单一的无量纲速度衰减系数α（deceleration index）不足以完全表征长杆高速侵彻的准定常阶段。在此基础上,重新定义了2个无量纲特征参量:Johnson破坏数Φ_Jp和特征时间系数β,2个参量之间的关系为α=β/Φ_Jp。分析表明,Φ_Jp和β（或α和β）可实现对长杆高速侵彻准定常阶段的弹尾速度的完全表征;若再引入长杆弹相对临界速度v_c*,则可完全表征长杆侵彻的准定常阶段。此外,还证明了α能够判定侵彻过程偏离定常状态的程度,并指出通过确定Φ_Jp和β（或α和β）,可针对攻防需求对长杆弹侵彻设计进行指导。     

细长薄壁弹体撞击钢靶屈曲的数值分析

动能深侵彻弹攻击坚硬目标时,可能会引起弹体的屈曲而导致战斗部的破坏。采用LS-DYNA3D软件,对细长薄壁弹体撞击中厚钢板的屈曲破坏进行了数值研究。数值模拟再现了各型弹体在不同撞击情形下的屈曲破坏过程,证明了实验观察得到的长、短型弹体动塑性屈曲破坏存在轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型两种基本模式,相应的屈曲破坏存在不同的特征过载曲线。给出了相关的屈曲破坏机动场描述和比实验结果更丰富的过程分析。     

超空泡射弹尾拍分析与计算

对超空泡射弹进行运动学和动力学分析并数学建模,求解耦合非线性微分方程组,得到水下高速超空泡射弹运动特性。数值模拟结果表明,高速超空泡射弹在航行过程中,由于弹体头部和尾部的阻力作用,水平速度随时间迅速衰减。并且射弹的角速度呈周期性往复变化,即尾拍现象。同时由于空泡尺寸的减小导致尾拍幅度逐渐变小。射弹转动惯量越小,角速度变化幅度越平稳,相同时间内尾拍次数减少。发射深度或发射速度越大,尾拍幅度衰减越快。较大的初始角速度也会使射弹角速度很快衰减。