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。     

动能深侵彻弹的力学设计(I):侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上,进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围,可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力,分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶,分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限,并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

动能深侵彻弹的力学设计(I): 侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上，进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围，可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力，分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶，分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限，并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

带表面裂纹LY12板材弹塑性抗裂特性的研究

本文对不同的热处理状态(CZ、R)、厚度(B=6、8、10和14mm)和裂纹深度与板厚比(α_√B=0.45～0.55和0.20～0.30)的带表面裂纹LY12铝合金有限宽板进行了塑性抗裂特性的试验研究。提出了等效裂纹扩展假设,测得了起裂时表面裂纹咀的张开角口α1,它是常数;导出了裂尖张开角αT的近似计算公式,并测得裂纹扩展时αT的变化规律;测得了稳定扩展和失稳扩展过程中裂纹塑性张开角(dδ_(MP)/da)_S和(dδ_(MP)/da)_U,它们是不同的常数;还测得了不同的热处理状态、厚度和α_0/B带表面裂纹LY12板材从起裂到失稳的裂纹等效扩展量,它约为板厚的4%。     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明:将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。     

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明:(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。     

风机叶片包容性分析

应用有限元方法对丢失的失效风机叶片撞击机匣的非线性瞬态响应进行了数值计算研究,模拟了叶片的包容过程,分析了包容过程中叶片、机匣的变形与能量变化。结果表明:有限元方法能较好的模拟风机叶片丢失后撞击机匣的过程,该型风机机匣对叶片具有包容性。研究结果对于进行风机叶片包容性设计具有重要参考价值。     

花岗岩块石浆砌结构抗弹丸斜侵彻/冲击性能实验研究

通过实弹射击试验,研究了花岗岩-钢筋混凝土复合靶板的抗侵彻/冲击性能.结果表明,该靶板具有较好的抗侵彻/冲击能力.与同等厚度的普通钢筋混凝土靶板相比,在射弹特性和撞击条件相同的情况下,该结构抗侵彻/冲击能力明显增强.对薄靶板而言,冲剪破坏为主要的破坏形式,增强抗剪能力,能够提高靶板抗侵彻/冲击能力.当弹体速度不高时,局部作用和结构整体响应之间一般有很强的耦合.该花岗岩-钢筋混凝土靶板局部既有一定的刚度,整体也具有一定的塑性,因此具有较好的抗弹体侵彻/冲击能力.这种结构施工简单,取材方便,造价相对低廉,具有一定的应用前景.     

活性粉末混凝土基表面异形遮弹层的抗侵彻特性

为了探索新型抗钻地武器防护技术,提出了一种由偏航层和基本层构成的活性粉末混凝土(reactivepowderconcrete, RPC)基表面异形遮弹层。采用?57mm 半穿甲弹开展了初始速度320~705m/s的弹 道冲击试验,获得了弹体破坏特征、弹体偏转角、最大侵彻深度、靶体破坏形态等试验结果,并提出了弹体侵彻 深度简化计算公式。研究结果表明,由高强度、高韧性RPC材料构成的异形体可以显著削弱弹体侵彻威力。 撞击时弹体均发生了不同程度的弯曲变形和破裂,弹道明显偏转,随着撞击速度的增大,弹体偏转角先增大后 减小,当撞击速度为505m/s时,最大偏转角达到61.4。试验后的钢纤维RPC基本层没有出现大面积冲击 弹坑和震塌现象,裂缝浅而少,保持了较好的完整性。计算结果与试验数据吻合较好,验证了公式的合理性。     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂的,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

考虑闭合效应和三维应力约束的表面裂纹扩展模拟

假定承受Ⅰ型常幅载荷下的表面裂纹在扩展中的形状保持为半椭圆,利用Newman半椭圆表面裂纹应力强度因子公式计算应力强度因子。提出了等效厚度的概念,利用穿透直裂纹的研究结果,考虑表面裂纹扩展中塑性致闭和三维应力约束效应。基于Elber模型建立了三维表面裂纹扩展模型。数值模拟了表面裂纹扩展过程,研究了裂纹形状变化及规律,计算了裂纹扩展寿命。将计算结果与有关试验结果进行了对比,吻合较好。     

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。     

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765~1766m/s速度范围内,对钨纤维体积分数为80%的增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验,对残余弹体进行宏、细观观测,研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明,在大于1000m/s速度侵彻时,钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力,表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层,呈局域化和尖锐化特点,而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用,弹体材料易发生剪切断裂等破坏,通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。     

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度。结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料：当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大（为平台应力的5～15倍）,而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁。最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响。     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

充气压力容器高速撞击实验研究

为了确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳扩展的界限 ,实验采用长径比为 0 56的铝柱状弹丸在约 1 7km/s的速度下正撞击铝罐。大部分实验采用的是未防护的铝罐 ,铝罐的压力从 0～ 0 4MPa变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝罐前、后壁从穿孔到裂纹失稳扩展的实验结果。防护铝罐的主要损伤是其前壁的裂纹失稳扩展。确定了发生裂纹失稳扩展的临界压力 ,并对发生裂纹失稳扩展的临界尺寸进行了分析。     

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为了提高舰船及其设备的抗冲击能力,满足最新抗冲击标准的要求,同时提高传统冲击试验 机的最大测试能力,提出了一套全液压驱动的新型重载舰船设备抗冲击试验系统模型, 以解决系统高能量存储及瞬间释放和避免二次撞击的关键问题. 构建了系统非线性 动力学模型,并利用数值计算方法考察了在不同冲击速度测试条件下冲击机系统所能达到的 预期性能. 结果表明: 该系统可以产生与最新抗冲击标准BV043/85和MIL-S-901D相吻合的 冲击加速度波形,同时可根据不断提高的抗冲击标准以及测试能力要求进行相应的扩展.     

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°。