铝铜药型罩射流与侵彻数值模拟

为提高射流侵彻性能,根据聚能射流装置的射流形成特点,设计了爆炸复合铝铜金属体作为药型罩的聚能射流装置。此装置依据已有的锥角为42°的聚能装药紫铜药型罩改进而来。利用LS-DYNA软件中的MMALE多物质算法,对此装置的射流形成、侵彻金属靶体全过程进行数值模拟。在保持装药量不变的情况下,计算了当铝铜药型罩锥角分别为36°、38°、40°和42°时的射流形成及侵彻过程。结果表明:射流头部速度随着铝铜药型罩锥角的减小而增大;且锥角为38°时射流穿深最大。相比单纯金属铜药型罩情况,射流头部速度提高了13.2%,侵彻深度提高了14.5%。     

串联战斗部前级K装药结构的优化设计

针对串联战斗部前级装药大开孔兼顾侵深的要求,应用LS-DYNA有限元软件,结合正交优化设计方法,仿真研究了K装药的药型罩及隔板结构参数对高速聚能杆式射流成型的影响规律,找出了形成较高头部速度的聚能杆式射流的药型罩外壁曲率半径和偏心距(分别为90~110mm和35~40mm)。计算得到了各结构参数(偏心距、罩外壁曲率半径、壁厚、隔板直径、张角、锥角)对聚能杆式侵彻体成型指标(头部速度和头尾速度差)影响的主次顺序,获得了K装药结构参数的最佳组合。进行了X光成像及侵彻钢靶实验,侵深达到装药口径的3.73倍,侵彻孔径为装药口径的0.36倍,侵彻孔径较均匀。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果为串联聚能装药技术的进一步研究提供了参考依据。     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

多层平行平板装药的间距对聚能射流的干扰影响

基于平板装药与聚能射流的作用原理和应对大口径带隔板侵彻能力更强的聚能装药的需求,通过理论分析和数值模拟的方法,对比研究了单层平板装药、双层平行平板装药和多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力,发现随着平板装药层数的增加,多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力增强。平板装药之间的距离不仅决定了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果,而且决定了反应装甲的尺寸。采用ANSYS/LS-DYNA3D软件再现平板装药与聚能射流的相互作用的过程,综合对比某一时刻聚能射流的剩余速度、剩余动能、后效,优选出最佳的平板装药之间的距离δ=25mm时,不仅保证了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果而且能有效控制反应装甲的尺寸和重量,可为后期新型反应装甲的研制提供参考。     

伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究

 利用LS-DYNA3D软件,对有攻角条件下伸出式侵彻体侵彻单层靶板及等厚度双层间隔靶板进行了数值模拟研究,从靶后动能和靶板破坏程度的角度对比了伸出体与同质量、同外径的基准杆侵彻单/双层靶板的能力。得出了侵彻体动能随时间变化的规律,分析了侵彻过程中攻角、速度及靶板分层3个重要因素对侵彻体侵彻能力的影响。结果表明：当攻角小或速度大时,伸出式侵彻体相对基准杆有较明显的优势;当双层靶板的间隔与基准杆长度相等时,靶板的分层对伸出体的侵彻性能几乎无影响,而对基准杆有较大影响,说明伸出体侵彻多层间隔防护结构的能力明显优于基准杆。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究北大核心CSCD

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100-140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100~140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

环型聚能装药侵彻靶板能力多因素分析

环型聚能装药结构参数与其侵彻靶板能力间的关系难以用精确的数学函数表达,因此利用灰色关联理论建立描述该关系的模型是有意义的。首先采用灰色关联度理论对正交试验数据进行初步处理分析,将多目标问题转化为单目标问题,得到各结构参数与侵彻靶板能力的灰色关联度;然后应用基于支持向量机回归、粒子群优化、遗传算法等参数寻优算法的支持向量机(SVM)网络回归模型对灰色关联度进行预测,从而实现对环型聚能装药侵彻靶板能力的计算。结果表明,使用基于遗传算法参数寻优的SVM网络回归模型拟合精度最高,该模型可以很好地描述正交试验中环型聚能装药结构参数与侵彻靶板能力间的关系。最后选用正交试验外的一组数据,应用LS-DYNA对该结构参数下的环型聚能装药侵彻靶板过程进行仿真,并将仿真试验数据与SVM网络回归模型的预测值作比较,验证了该模型的可靠性。     

环形双锥罩聚能装药结构优化设计

在环形聚能装药结构中,单锥罩结构形成的射流中间有堆积现象,断裂前射流拉伸长度有限,而双锥罩射流兼顾了上锥小锥角形成高头部速度,下锥大锥角增大射流有效质量的优点,形成的射流更加细长,头部速度高且不易断裂。基于环形切割聚能装药战斗部,综合考虑上锥角大小、上锥罩占药型罩高的比例、药型罩的高度以及药型罩壁厚对射流侵彻能力的影响,并基于灰关联理论对双锥罩环形聚能装药的优化提供依据,通过数值仿真,研究表明:上下锥角对射流成型影响最大,通过比较,当上锥罩为34°、上锥占罩高比例为40%、药型罩高度为70mm、药型罩壁厚为5mm时,形成的射流头部速度高,且在空气中能够稳定飞行。相比单锥罩结构,双锥罩射流细长,在空气中飞行时间长,对靶板的侵深大于单锥罩射流。     

杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟

运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k(D_k为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当δ<0.04D_k时,杆流成型结构较差,在水中的动能抗衰减性能较低;δ>0.06D_k时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。     

大锥角聚能射流实验研究

 通过闪光X射线摄影技术，研究了两种大锥角射流的特性及其对钢靶的侵彻，并与小锥角射流进行了对比。研究结果表明：大锥角射流的头部速度较低，但直径和质量较大，在大炸高条件下对钢靶的侵彻孔深度浅，孔径大。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

杆式射流侵彻半无限靶的理论分析

 理论分析高速杆式射流侵彻半无限靶过程时,考虑速度梯度对聚能射流的影响,将射流进行分段计算,得到了射流拉伸后实际碰靶时的微元长度和直径变化。采用伯努利方程和静力学方法,通过对射流形状和速度分布作线性近似,理论分析了高速杆式射流侵彻半无限靶的过程,得到了靶体中的侵彻深度和侵彻孔径与射流长度、速度及直径之间的关系。将模拟结果与实验结果进行对比,结果表明理论分析结果与侵彻实验结果符合较好。     

铅对粉末药型罩性能的影响

 为了研究铅粉对钨铜粉末药型罩性能的影响,在钨铜药型罩原配方的基础上,添加5%～20%的铅粉进行实验研究。实验结果表明：添加铅粉可以减少粉末药型罩的孔隙度;随着铅粉添加量的增加,射流的侵彻深度和入口孔径均增加,当铅含量为10%～15%时,侵彻深度和入口孔径达到最佳值,侵彻深度可以提高30%,再添加铅粉,侵彻深度和入口孔径均随之下降。从粉末药型罩成型以及射流的形成、拉伸及侵彻靶板等方面,对造成这种现象的原因进行了详细分析,获得了铅对粉末药型罩性能影响的一些机理认识。研究结果为铅粉代替铋粉添加到钨铜粉末药型罩以提高其侵彻性能提供了一定的理论依据。     

射流侵彻陶瓷力学特性实验研究

 利用闪光X射线摄影技术观察了射流在氧化铝陶瓷靶中的侵彻过程。结果表明，射流在侵彻氧化铝陶瓷过程中，侵彻通道发生了一定程度的倒塌现象，致使后续射流断裂，部分断裂粒子扭曲、偏离侵彻方向，降低了射流侵彻能力。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

冲击波影响下的聚能射流侵彻扩孔方程

 当聚能射流侵彻速度大于靶板声速时,由于冲击波的产生导致波阵面后材料的状态参数发生改变,影响聚能射流的侵彻扩孔过程,致使波阵面前后不能直接应用伯努利方程求解。在考虑侵彻过程中冲击波影响的基础上,对射流轴向侵彻和径向扩孔的力学特性进行了分析,并对冲击波的传播和衰减进行了假设,着重探讨侵彻速度大于靶板声速时冲击波的影响。针对侵彻速度大于和小于靶板声速两种情况,建立了相应的侵彻模型,提出了一个新的聚能射流侵彻扩孔方程。将该方程与Szendrei-Held模型进行了比较,结果表明,新模型更符合Held等人的实验数据,冲击波对轴向侵彻的影响远小于对径向扩孔的影响。     

贫铀药型罩材料中微量杂质对聚能射流性能的影响

 通过对贫铀药型罩的静破甲实验，研究了材料中微量元素对射流性能的影响。实验结果表明，贫铀中的碳含量对射流性能起着非常重要的作用，随着碳含量的增加，静破甲威力下降十分显著。最后讨论了有害微量杂质对射流造成影响的原因，指出有害杂质可以以点缺陷形式或向晶界偏聚的形式存在于材料中，它们对材料的滑移变形均起到阻碍作用，其结果造成材料延展性能下降。     

大锥角罩聚能装药射流理论计算方法

 运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程，再结合射流分析理论，建立了大锥角聚能射流理论计算方法，并编制了射流分析程序ASCC（Analytical Shaped Charge Code）。通过与实验、数值模拟计算结果的比较，说明该方法是可行的，可以有效地计算大锥角罩的射流参数。