蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型及其应用

蜂窝钢管混凝土通过对混凝土施加约束提高混凝土的抗侵彻性能,建立刚性弹侵彻钢管约束混凝土靶的侵彻深度模型具有重要的理论意义和应用价值;而基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法之一.论文针对射弹侵彻蜂窝钢管钢管约束混凝土靶问题,考虑被打击单元钢管及其外围混凝土的综合约束作用,粉碎区混凝土采用Hoek-Brown (H-B)准则,建立了蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型和刚性弹侵彻深度预测公式,并基于相关侵彻试验分析了综合约束刚度对侵彻过程的影响.研究结果表明:蜂窝钢管约束混凝土靶不同于半无限混凝土靶,侵彻过程中的扩孔压力不为常数;综合约束刚度越大,扩孔压力越大;侵彻深度预测公式计算结果与文献侵彻试验吻合较好.论文成果为蜂窝钢管混凝土在防护结构中的应用奠定了基础.     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。     

钢筋混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性动态空腔膨胀阻力模型

在Forrestal素混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性球形动态空腔膨胀理论模型基础上,考虑粉碎区以内钢筋对混凝土的环向约束作用,提出了一个适用于刚性弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型。论文通过体积配筋率的引入,获得了钢筋混凝土靶空腔表面径向应力的理论解,并讨论了配筋率对空腔壁面径向应力及各分区大小的影响。结果表明：钢筋对混凝土的环向约束效应影响了空腔膨胀过程中混凝土各区域的大小分布,并提高了空腔表面的径向应力。

     

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.     

基于Ottosen屈服条件的不同强度混凝土空腔膨胀模型及侵彻机理

针对毁伤与防护领域对深层超硬目标理论研究及工程应用的迫切需求,引入改进的Ottosen屈服条件,对混凝土空腔膨胀过程中的响应分区和边界条件进行优化,求解空腔膨胀的全过程,分析不同强度混凝土响应分区的变化规律;根据空腔边界应力和空腔膨胀速度的关系,建立了弹体侵彻深度计算模型,对弹体侵彻不同强度混凝土工况进行了对比计算,并深入分析了靶体强度对侵彻深度影响的机理。通过与实验数据进行对比发现,改进的空腔膨胀理论对于普通混凝土和高强混凝土均有很好的适用性,可准确计算径向应力与空腔边界速度关系以及侵彻深度。研究结果显示,高强混凝土的弹塑性开裂区范围更大,密实区范围更小,表明了高强混凝土脆性大,材质密实的特点,引入塑性开裂区可以更好地反应侵彻过程中高强混凝土压实时对应速度更高的现象;随着混凝土强度的提高,其屈服包络面变化越来越小,因此混凝土的空腔边界应力增大但变化程度越来越小,导致弹体侵彻深度随速度增加的增量变小。     

刚性平头弹正侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型

本文基于素混凝土侵彻理论,将钢筋混凝土中钢筋的失效模式简化为弯曲剪切失效后,建立了刚性平头弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型,侵彻深度的计算结果与Young公式吻合良好,表明本文提出的理论模型可较为合理地预测侵彻深度。进一步分析了不同着靶点的位置对弹体侵彻的影响,结果表明：当弹体直径与钢筋网眼尺寸的比值小于1时,弹体撞击到网眼中心处侵彻深度最大;当弹体直径与网眼尺寸的比值大于1时,最不利着靶点位置视其比值而定。最后,基于防护角度的最不利工况,建立了侵彻深度的工程计算公式。

     

混凝土靶体计及压实效应的球腔动态膨胀模型和侵彻计算

建立了一混凝土靶体的球腔动态膨胀的侵彻模型。靶体的静水压力一体积应变关系考虑了不同的密实混凝土模型。也研究了混凝土作为多孔材料在高压下的压实效应。混凝土有拉伸强度极限值,其剪切强度与压力相关为Mohr—Coulomb定律。球腔动态膨胀模型考虑球对称空腔在无限介质里从零半径开始以常速度膨胀,产生一塑性区和一弹性区。当膨胀速度足够小时,由于介质的低拉伸强度,塑性区和弹性区之间可存在一径向裂纹区。可由解析方法获得空腔表面压力和弹塑性区界面传播速度随空腔表面扩张速度变化的曲线,再由球腔动态膨胀模型所得的空腔表面压力分布用于计算混凝土靶体的刚性杆弹侵彻深度。本文模型的计算结果与经验公式,不可压缩和线性可压缩混凝土模型的进行了比较。     

混凝土材料的动态空腔膨胀理论

采用三段式线性状态方程和考虑拉伸破坏的带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则描述混凝土材料的本构关系,运用相似变换方法推导出了空腔膨胀动态响应的理论表达式,并运用Runge-Kutta-Felhberg数值方法给出了球形空腔动态响应的数值解。结果表明：空腔膨胀压力随空腔膨胀速度和剪切饱和强度的增加而增加,在空腔膨胀速度较高时,考虑剪切饱和时的空腔膨胀压力明显小于不考虑剪切饱和时的空腔膨胀压力。     

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。     

弹性空腔膨胀中边界条件的转换方法

以弹性空腔膨胀为研究对象,利用速度和应力2种边界条件下运动场势函数相等的原理,运用Laplace变换及其卷积定理,得到了两种边界条件的相互转换关系,建立了球面波运动场中速度场与应力场的转换关系。以双指数应力时程和正弦指数衰减速度时程为例,研究了球面波运动场转换的特点。结果表明,球面波上的应力和速度之间不是简单的线性关系,与平面波相比,球面波上的质点速度较小。而影响这种差异大小的主要因素是波的传播距离和介质中波的传播速度,波传播距离越近,传播速度越快,这种差异越大。