多破片高速冲击下飞机油箱水锤效应数值模拟

作为飞机燃油箱的一种主要损伤模式,水锤效应可能引起油箱结构灾难性的破坏。针对实战环境中多枚破片冲击同一油箱的常见现象,在建立与试验对比一致的单枚破片冲击满水油箱数值模型后,以箱内液体特定单元压力峰值、破片速度衰减、箱内液体吸收的总能量以及油箱壁板变形作为对比参量,分别开展数值模拟,分析其在2枚破片不同间距打击、2枚破片不同时间间隔打击以及多枚破片同时打击时的水锤效应。结果表明:箱内液体的压力峰值来源于破片入水后形成的冲击波,多枚破片入射时液体压力有明显的叠加效应;2枚破片不同时入射将导致先入射破片剩余速度增高;油箱壁板的变形随入射破片数量的增加显著增大。     

氧化锆增韧陶瓷与A95陶瓷抗侵彻性能对比实验研究

使用穿甲弹对两种陶瓷材料,10%氧化锆增韧陶瓷和A95陶瓷,开展了系列弹道实验研究。分析了各自的抗弹防护系数随射弹入射速度的变化规律,并分析了材料强度和韧性对其抗侵彻性能的影响。实验表明:两种陶瓷材料的质量防护系数都明显高于1,但在射弹入射速度为1000.0~1300m/s的范围内,A95陶瓷靶的抗侵彻能力高于增韧陶瓷的抗侵占能力。随着入射速度的提高,增韧陶瓷的抗侵彻能力提高的更快,并在某点出现转折入射速度以上,大约1300m/s,其与A95陶瓷的抗侵彻能力趋于相同,显示了增韧陶瓷在抗高速侵彻方面的适用性。     

不同头部形状子弹侵彻钢板的跳弹及规律研究

采用LS-DYNA软件中的拉格朗日有限元方法,对不同头部形状子弹侵彻钢板问题进行了三维数值模拟研究,并与实验结果进行比较分析,结果表明:平头、圆头、尖头子弹侵彻剩余速度计算结果与实验结果吻合较好,相对误差都在10%以内,从而验证了数值分析模型的有效性。在此基础上分别计算了入射速度为400 m/s、500 m/s、600 m/s和倾角分别为50°、55°、60°、65°、70°、75°状态下的平头、圆头、尖头子弹侵彻圆形钢板模型,得出了不同头部形状跳弹规律、跳弹临界角范围、侵彻过程所消耗的动能,为子弹头部形状设计提供了参考。     

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。     

弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀实验研究

为研究弹体高速侵彻混凝土过程中质量侵蚀规律及特性,开展了一系列实验研究,进行了不同速度(800～1500m/s)侵彻不同强度(C30～C80)混凝土试验,根据试验结果拟合出了既定材料弹体质量侵蚀同侵彻速度之间的对应关系。试验结果还表明:(1)对于该种材料弹体,当侵彻速度小于1200m/s时,弹体侵蚀量不仅同Vs2(动能)呈线性关系,也随混凝土强度的提高而增加;(2)对于材料为60Si2Mn的弹体,其理想侵彻速度为1100m/s～1200m/s之间;高于该速度,质量侵蚀严重,弹体侵彻能力急剧下降;(3)弹体质量侵蚀主要发生在头部,当侵彻速度较低时,磨损是导致弹体质量损失的主要因素;当侵彻速度逐步提高,超过某临界值时,熔融和磨损是导致弹体质量损失主导因素。     

高速破片撞击充液容器时容器壁面的损伤

为研究高速破片(钨球)撞击充液容器(贯穿前后壁面)时容器壁面的毁伤情况,利用ANSYS/LSDYNA对该过程进行了数值模拟,分析了破片撞击动能对充液容器前后壁面毁伤程度的影响,并进行实验验证。结果表明:高速破片撞击充液容器形成的液压水锤对充液容器前后壁面的破坏程度可分为3个等级,即前后壁面均未出现裂纹、前壁面没有出现裂纹后壁面出现裂纹和前后壁面均出现裂纹且后壁面呈花瓣式开裂;破片撞击充液容器过程中,前后壁面的最大变形量和前后壁面的裂纹总数随破片撞击动能的增加而增大。     

考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土模型及算法研究

现有试验表明:当弹丸侵彻速度低于1000m/s时,因侵彻过程中与混凝土会发生摩擦碰撞,其中损失的质量的总量与弹丸初始侵彻的动能成线性关系。本文利用此侵蚀规律提出了一种考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土靶侵彻模型及算法,此模型中弹丸侵彻阻力由空腔膨胀理论模型计算。采用本文的模型预测了弹丸侵彻混凝土过程中的弹丸头部形状的变化、质量损失、侵彻深度等,将模型计算结果与实验数据对比发现,侵彻深度误差小于10%,质量损失误差在15%以内,表明了模型具有良好的精度和实用性。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

破片撞击充液密闭油箱的实验研究及数值仿真

针对两种不同充液密闭柴油箱,一种油箱为普通柴油箱,另一种为在油箱内层附带橡胶层的柴油箱,在一定速度范围内开展了钨合金燃烧破片撞击、引燃油箱的实验研究。试验采用高速录像拍摄破片撞击油箱的过程。研究发现,带有橡胶的油箱具有自闭合功能,在735m／s～1320m／s的速度范围内不能被引燃,而不带有橡胶的油箱可被引燃。为了揭示这种带有橡胶材料油箱的自闭合现象,利用LS—DYNA软件,选定橡胶材料为超弹性材料,对破片撞击带有橡胶结构的油箱进行了数值仿真。仿真结果表明带橡胶油箱具有自闭合力学机理。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5 600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa,与实验结果吻合较好。     

不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析

为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性,研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件,针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析,完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元方法模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程,提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线,其中应力响应最高位置在陶瓷基板层,达到427 MPa,挠度响应最高位置在金属底板层,达到了773.8 μm,模块整体位移速度最高达到17.68 m/s,加速度最高达到51 110.7g。对比4种固定方式的冲击响应结果,模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定,面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小,面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式,之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料,利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验,运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算,探讨了其变形模式和能量吸收特性,分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值,减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下,对于单胞模型,仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管;对于多胞管件阵列模型,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下,阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时,折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时,仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

REBOUNDING OF GALILEAN CANNON FROM A RIGID WALL1)

研究了Galilean炮——即若干个直径递增的弹性球组成的球链---撞击刚性壁回弹的问题。采用三种力学模型：分离刚体的多次"弹性"碰撞、多刚体的接触碰撞、以及有限元模拟,对球链撞击问题进行了分析,旨在给出碰撞结束后末端小球的飞离速度与入射速度的比值。研究表明：球链碰撞反弹后将会散开,末端小球的飞离速度明显大于球链入射速度;当入射球链间存在间隙时,末端小球的速度增幅更加明显。通过实验展现了这种末端小球回弹速度增加的现象。     

Galilean炮在刚性壁上的回弹

研究了Galilean炮——即若干个直径递增的弹性球组成的球链——撞击刚性壁回弹的问题。采用三种力学模型:分离刚体的多次"弹性"碰撞、多刚体的接触碰撞、以及有限元模拟,对球链撞击问题进行了分析,旨在给出碰撞结束后末端小球的飞离速度与入射速度的比值。研究表明:球链碰撞反弹后将会散开,末端小球的飞离速度明显大于球链入射速度;当入射球链间存在间隙时,末端小球的速度增幅更加明显。通过实验展现了这种末端小球回弹速度增加的现象。     

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。     

串联随进战斗部垂直侵彻装甲钢板实验研究

设计了一种串联随进战斗部,作用时前级聚能装药形成聚能杆式侵彻体对靶板进行侵彻开孔,随后后级随进子弹依靠动能嵌入到开孔的靶板中,实现对目标的毁伤与封锁。在着靶速度为220～330m/s范围内,开展了对该串联战斗部垂直作用于不同厚度装甲钢板的侵彻实验研究。实验结果表明,在230～300m/s范围内,此种结构的串联随进战斗部可以有效作用,随进子弹的嵌入深度总体上随着撞击速度的提高而增大,随进子弹保持完整且嵌入牢固,能够有效实现对目标的毁伤与封锁。     

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2～1 067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明：在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。     

风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损力学性能研究

针对钢结构涂层耐久性受风沙侵蚀和劣化问题,在研究风沙环境特征和钢结构涂层力学性能的基础上,利用接触理论和LS-DYNA有限元分析程序分析了涂层受冲蚀时的最大接触动力、最大接触半径、最大接触应力,并分析了应力场分布规律和屈服极限风沙流速度。分析结果表明：最大接触动力、最大接触半径、最大法向动应力随冲蚀速度和角度的增加而增大,当冲蚀速度、角度分别为35m/s、90°时,其达到最大值4.09×10-2N、4.24×10-5m、1.08×107Pa;最大切向动应力随冲蚀角度的增加而减小,当冲蚀速度为35m/s 时,冲蚀角度为5°和90°时对应的应力分别为9.36×107Pa 和0;得到了涂层表面和内部应力场,在对称轴0.56z a=处,剪应力最大值0.277 pτ=1max 0,剪应力最大值点即是材料接触流动的起始点,因此可预计塑性流动将在涂层表面下方开始发生;当垂直冲蚀时涂层材料不屈服的极限射流速度为18m/s。