弹体正侵彻钢筋混凝土靶的试验及数值模拟研究

开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验,通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值;结合数值模拟,分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明:处于弹道附近的混凝土压力最大,峰值脉冲明显;随着距离的增加,峰值减小且脉宽增大,应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度,破裂区钢筋处于弹性状态,弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。     

弹体贯穿钢筋混凝土数值模拟

详细描述了依据损伤原理建立的连续损伤模型,并对该模型进行了改进。在LS DYNA程序用户自定义材料模型中加入改进的连续损伤模型,并对弹体侵彻钢筋混凝土的穿孔过程进行了数值模拟,其结果与实验结果相吻合,模型可以用于钢筋混凝土的动态破坏预报。     

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。     

弹体垂直侵彻深度工程计算模型

利用空腔膨胀理论计算各种形状弹头的法向侵彻阻力，并考虑作用在弹体头部的库仑摩擦阻力和作用在弹体侧壁粘滞摩擦阻力的影响，根据牛顿定律确定弹体在靶体介质中的运动微分方程，由运动边界条件确定弹体的侵入深度，最后与试验结果进行了比较，表明结果是可靠的。     

弹体触地的数值模拟分析

针对弹体结构,从弹体尺寸和靶体尺寸的选择方法、撞击速度与连接板中心碰撞到挡板所需要的时间T关系、本构模型参数的选择以及网格处理方法进行了逐项分析和解释。数值模拟分析结果表明:采用靶体碰撞弹体模拟弹体触地情况,必须对实验模拟的合理性和有效性进行分析,靶体的最小长度选择不仅与弹体中塑性波波速有关,还与头部锥体材料和几何尺寸有关;弹体材料的屈服强度严重影响到时间T,在一定的碰撞速度范围内,可近似采用某一不变的动态屈服强度进行计算,但决不能采用静态屈服强度;目前提供的网格删除参数用来分析连接板碰到挡板问题并不完全适用,必须经过修正才行。     

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。     

弹体斜侵彻混凝土靶的实验研究及其数值模拟

以弹体斜侵彻混凝土的弹道特性为研究内容,通过侵彻实验与数值模拟得到了不同速度下的侵彻深度、开坑尺寸、偏转角等参数,实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明:倾角对开坑深度和开坑形状影响很大;倾角越大,对侵彻深度和偏转角的影响越明显,弹体偏转角随着速度的增大呈现减小的趋势;当倾角增至一定角度后发生跳弹现象,据此得到跳弹极限角与倾角、侵彻速度的关系。     

弹体侵彻深度计算公式对比研究

讨论了目前应用较广的弹体对混凝土侵彻深度计算公式,并与试验结果进行对比,分析各经验公式及理论公式的计算误差。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

弹体侵彻干砂的数值模型

基于砂粒的不可压缩性假设,利用球形空腔动态收缩模型和广义Mises强度准则推导了干砂的孔隙压密演化方程;根据Hugoniot冲击突跃条件和Grüneisen系数,推导了干砂考虑孔隙演化影响的状态方程;根据关联流动法则,得到了大变形时砂的弹塑性应力应变关系;基于动力有限元计算平台,采用上述模型分析了弹体高速侵彻干砂的作用过程。结果表明,该模型能够表征高速侵彻时砂的孔隙演化对应力应变状态的反向影响,能够较准确地反映高速侵彻作用下干砂的动力响应过程。     

弹体侵彻刚玉块石混凝土复合靶体的数值分析

在先前混凝土三维细观模型和块石遮弹层三维模型研究的基础上,研究了小直径炸弹侵彻条件下,刚玉块石遮弹层的抗侵彻性能。重点分析了弹体侵彻条件对侵彻深度和弹体偏转角度的影响以及遮弹层构造参数对侵彻结果的影响;详细探讨了弹体命中速度、命中角度和弹着点位置,以及刚玉块石大小、体积率和填充混凝土强度对遮弹层抗侵彻性能的影响。与普通块石遮弹层相比,刚玉块石混凝土复合遮弹层具有更好的抗弹体侵彻性能。

     

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

PELE弹侵彻过程壳体膨胀破裂的数值模拟

采用AUTODYN-3D和基于Mott破片分布理论的Stochastic随机破碎模型对横向增强效应弹丸(PELE)侵彻过程钢壳体膨胀过程进行了三维数值模拟,对比分析了旋转和着角两因素对弹丸侵彻铝靶时壳体破裂产生自然破片的影响,得到了破片数量质量分布及径向速度梯度等变化规律。     

弹体对混凝土介质侵彻、贯穿的比例换算关系

根据介质抗侵彻的变形和破坏模型,从近区应力与变形状态实际出发,利用波阵面上的动量守恒关系和弹体表面的连续运动规律,推得了介质近区运动学的关系式,从而得到了作用在弹体表面的应力表达式。通过破碎区与径向裂缝区的能量传输关系,揭示了侵彻与贯穿问题的比例尺度关系的规律,给出了具有宽广范围的侵彻计算公式,并通过与现有经验公式计算结果的对比验证了该公式的可靠性。     

Simulation of shape variation of projectile nose during high-speed penetration into concrete

A formula is developed to estimate the total mass loss of projectile, based on the assumptions that the peeling of molten surface layer in projectile nose is the primary cause of mass loss, and the frictional heat is totally absorbed by the projectile. Extrapolating this formula to predict the mass loss of local area of projectile, the receding displacement on projectile surface is obtained, which is vertical to the symmetry axis of projectile. Thereby, a finite difference method model is constructed to simulate the variation of projectile shape. The shape of residual projectile, depth of penetration of projectile and its mass loss obtained by calculation are found in good consistency with respective experimental data.     

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。     

卵形弹体侵彻混凝土开坑区侵彻阻力计算

为了研究弹体开坑过程中,弹头表面应力的表达形式,采用高速摄影仪记录弹体在开坑区的位移和时间关系,得到卵形弹体在开坑区的速度和侵深关系。采用最小二乘法对开坑区结束时消耗的弹体动能和侵深关系进行分析,提出开坑过程中弹头表面的应力形式。计算结果表明,该应力形式能较好地描述高速条件下开坑区的侵深和速度关系。