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。     

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。     

数值建模时骨料对混凝土侵彻及毁伤问题的影响

采用二维拉格朗日弹塑性流体力学有限元程序LTZ-2D分析了含骨料混凝土的数值建模对混凝 土侵彻及毁伤问题的影响。对比等效混凝土,在混凝土骨料尺寸相对弹体尺寸较小的情况下,对于薄靶侵彻, 低速撞击时骨料对弹体有阻碍作用,而速度较高时,由于靶板背面毁伤面积增大的原因,弹体的剩余速度增 大;对于厚靶侵彻,含骨料混凝土的数值建模对弹体的侵彻过程影响不大。     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固,具有明显优势。本文中,设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

抗战斗部侵彻爆炸作用的混凝土遮弹层设计

准确评估战斗部侵彻爆炸作用下混凝土遮弹层的损伤破坏可为防护工程设计提供重要参考。首先基于Karagozian&Case(K&C)模型框架建立了新型混凝土动态损伤本构模型,其中强度面综合考虑了静水压力、Lode角、应变率和损伤;独立描述了拉伸和压缩损伤,并考虑了拉压之间的连续过渡以及剪切变形和体积压缩对损伤的贡献。随后,开展了半无限厚混凝土靶体的105 mm口径弹体侵彻爆炸联合作用试验。进一步通过对上述试验和已有有限厚混凝土靶板的预制孔埋置装药爆炸试验进行数值仿真分析,验证了所建立的本构模型、参数取值和有限元分析方法在描述混凝土动态阻力、损伤演化和开裂行为方面的准确性。最后,确定了SDB、WDB-43/B和BLU-109/B三种典型战斗部以声速侵彻爆炸普通混凝土的临界贯穿和临界震塌厚度。结果表明：SDB、WDB-43/B和BLU-109/B战斗部侵彻爆炸作用下混凝土的临界贯穿厚度分别为1.4、3.4和3.8 m,临界震塌厚度分别为3.6、6.3和8.3 m;由于携带炸药量的差异,不同战斗部侵彻爆炸下的临界贯穿和临界震塌厚度与侵彻深度的比值非定值,相应的比值范围分别为1.4...     

高速侵彻混凝土弹体侵蚀效应试验研究

为了探究高速侵彻条件下弹体侵蚀效应及其影响因素,本文利用滑膛炮发射平台,采用次口径发射技术,在800～1800m/s速度范围内,开展了卵形头部弹体高速侵彻混凝土终点效应试验,重点研究了弹体口径、材料、CRH(曲径比)、长径比、屈服强度等因素对侵蚀效应的影响。通过试验获得了高速侵彻条件下弹体侵蚀变形情况,分析了侵彻深度和弹体质量损失率的影响规律,对弹体侵蚀机理进行了探讨。结果发现:通过合理设计弹体结构,提高极限速度大小,增大弹体截面比动能,可以有效增加弹体最大侵彻深度;提高弹体材料动态屈服强度能在一定程度上减小弹体侵蚀效应,提高侵彻深度。     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。     

常规武器二次爆炸作用下浅埋钢筋混凝土拱结构破坏规律

为研究常规武器二次爆炸作用下土中浅埋拱结构的破坏规律，对土中浅埋钢筋混凝土直墙拱结构进行爆炸试验和数值模拟。试验对结构模型设置多个缩比工况，同时，利用LS-DYNA对3组工况进行数值模拟。通过对比土中测点压力、结构测点速度和结构挠度等数据，发现模拟结果与试验结果基本一致并拓展了二次爆炸的数值模拟工况。结果表明：比例爆距设置在0.4～0.6 m/kg1/3，以保证结构以整体破坏为主。综合结构毁伤宏观描述和结构最大挠跨比，对整体作用下结构的毁伤等级进行划分。通过讨论结构的初始毁伤及不同爆炸顺序时钢筋混凝土直墙拱结构的破坏规律，结构受爆炸作用发生开裂、弯曲等破坏时，部分混凝土因开裂或进入塑性而退出工作，从而导致结构的刚度发生改变；结构最终毁伤程度受打击顺序影响，初次爆炸对结构最终损伤影响比重较大。     

钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究

为考察素混凝土及钢纤维混凝土（钢纤维为平直型与端钩型,体积分数0.01~0.05）抗侵彻贯穿特性,采用12.7 mm弹道炮-测速靶系统开展了初速297~848 m/s的弹道冲击实验,获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度、弹坑直径、靶体（板）破坏形态等实验参数,并利用高速摄影系统记录了靶体（板）的动态破坏过程。实验结果的对比表明,靶板的抗侵彻贯穿性能和破坏模式与钢纤维类型及含量密切相关。当钢纤维体积分数为0.05时,端钩型钢纤维混凝土的侵彻深度与相同强度等级素混凝土相比降低约52%,且贯穿破坏后靶板碎片的数量及飞散角度大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗侵彻贯穿方面的适用性。     

混凝土细观组成对弹体正侵彻过程影响的数值模拟研究

从细观组成出发,根据已有文献中的随机骨料模型,将混凝土看作是骨料、砂浆与二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料,利用程序语言C++6.0实现了三维随机骨料模型建模。采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak部分混凝土靶板穿透试验(未考虑钢筋影响)进行了数值模拟,并对比连续均匀模型分析了混凝土细观组成对弹体的剩余弹速、靶板的破坏现象及损伤分布的影响,结果表明:仅考虑弹体侵彻混凝土靶板问题中的剩余速度参数,随机骨料模型与连续均匀模型所得结果基本一致;为提高计算效率,采用连续均匀模型进行分析即可。另一方面对不同骨料粒径(10mm~20mm、20mm~30mm、30mm~40mm、40mm~50mm、50mm~60mm、60mm~70mm)、速度范围为360m/s~1058m/s下弹体正侵彻混凝土靶板进行了数值计算,研究了骨料粒径及速度对弹体偏转角、峰值加速度的影响,并将数值计算结果与连续均匀模型进行了对比。结果表明:在本次计算中,骨料粒径对弹体的偏转有较大影响,弹体剩余速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而减小;峰值加速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而增大。     

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土实验研究

设计了一种优化结构的薄壁高速侵彻弹体,采用YOUNG方程预估弹体高速侵彻钢筋混凝土的侵彻深度,通过建立三维有限元模型分析并计算了薄壁弹体高速侵彻2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力和结构变形情况。在100mm口径的火炮上,开展了8kg弹体高速侵彻钢筋混凝土靶实验,考核了弹体的结构强度和侵彻能力。结果表明:薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土靶板后结构完整,在1020m/s和1200m/s速度下具备穿透2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力。     

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。     

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...     

有限厚块石砌体钢筋混凝土结构板抗贯穿性能的实验研究

用花岗岩和混凝土制备出了花岗岩板、钢丝网混凝土板、花岗岩与钢丝网混凝土组合板、花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构板4种类型的有限厚靶板。采用口径为30 mm的火炮作为发射装置,利用形状相同、材料强度不同的2种弹体对上述靶板进行了侵彻贯穿实验,比较了各类靶板抗侵彻贯穿破坏现象。结果表明,设计良好的块石砌体钢筋混凝土结构板具有优良的抗贯穿性能,且其抗贯穿性能与块石粒径、块石强度、块石砌筑方式、粘结强度和钢筋混凝土结构形式密切相关。     

弹体侵彻混凝土的临界跳弹

为了保证钻地战斗部打击防护层目标时不发生跳弹,需要对弹体侵彻目标的临界跳弹角度进行分析和估算。开展了一定大长径比弹体斜侵彻混凝土的跳弹实验,分析了在250~430 m/s速度下弹体侵彻30和60 MPa钢筋混凝土的临界跳弹角度,给出了弹体临界跳弹角度包络线。当靶板强度相同时,随着侵彻速度的增加,弹体的临界跳弹倾角增大,增大的趋势逐渐变缓;在相同侵彻速度下,随着靶板强度的增加,弹体的临界跳弹倾角减小;经验公式分析得到的弹体临界跳弹倾角偏低于实验,但偏差基本在3°以内。     

考虑尺寸效应的典型钻地弹侵彻混凝土深度分析

准确评估精确制导武器的侵彻深度可为防护工程设计提供重要参考。已有研究工作大多集中于中、小口径弹体和普通强度混凝土靶体,且由于尺寸效应的影响使得现有计算方法对预测大口径典型钻地弹侵彻深度的适用性值得商榷。首先,综合分析了已有弹体侵彻试验数据,发现引起侵彻深度尺寸效应的主要原因是混凝土粗骨料粒径未随弹体尺寸进行同比缩放;其次,开展了5发100.0和203.0 mm口径缩比钻地弹侵彻C40和C100混凝土的试验和数值模拟分析,提出并验证了大口径弹体侵彻混凝土深度的实用化有限元计算方法;然后,确定了美军5种典型钻地弹在不同侵彻速度（100~600 m/s）下对上述2种强度混凝土靶体的侵彻深度,并对现有7种计算公式的适用性进行了评估;最后,基于已有大量试验数据拟合确定了侵彻深度随混凝土强度的衰减规律,并计算得到340 m/s侵彻速度下5种典型钻地弹对C40~C200混凝土的侵彻深度。     

含装甲钢和陶瓷板的钢纤维砼复合靶的抗侵彻实验研究

为考察装甲钢板和陶瓷板的抗侵彻特性,在钢纤维混凝土靶中分别加入两种不同厚度的装甲钢板和陶瓷板振动成型。在57mm轻气炮上进行了小尺寸射弹侵彻钢纤维砼复合靶试验,测量了不同速度的射弹在不同靶中的侵彻深度。研究表明,当装甲钢板的厚度在5mm范围内,射弹速度超过400m/s时,装甲钢板的厚度对侵彻深度的影响不明显。对含陶瓷板的钢纤维砼,当射弹超过一定速度时,射弹弯曲断裂。通过分析给出了射弹残余弹长与射弹的密度、射弹的动态屈服强度和垂直撞击陶瓷板的速度的函数关系,理论结果与实验数据基本一致。     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。