动能深侵彻弹的力学设计(III):缩比实验分析

开展了25 mm火炮小尺寸缩比弹的正/斜侵彻实验。给出了实验方法、建议弹型和混凝土靶的设计。在620～820 m/s实验速度范围内,缩比弹结构保持完整。结合动能深侵彻弹的力学设计理论和笔者先前的理论工作,对正/斜侵彻的实验结果作进一步的总结,包括着靶姿态、靶体终点效应以及弹体结构变形。     

一种强力钻地弹侵彻混凝土靶研究

设计了一种更为强力的钻地弹-钨镇重钻地弹,以提高钻地弹对硬介质目标的侵彻能力。将特殊设计的钨合金结构作为镇重体填加至钻地弹的壳体内部,以提高钻地弹的整体密度,增大面质量,从而提高了钻地弹的侵彻能力。设计了实验用靶、可分离弹托和尾翼,成功进行钨镇重钻地弹缩比弹侵彻混凝土靶的实验室实验和外场实验,并进行了相同条件下普通钻地弹缩比弹对比侵彻实验。实验结果表明:相对于普通钻地弹,钨镇重钻地弹的侵彻能力有了较大幅度的提高;钨镇重钻地弹的弹体结构强度设计满足侵彻需要,弹体在侵彻过程中能有效生存。采用实验的方法研究了缩比率对钻地弹侵彻深度的影响,对钻地弹侵彻深度相似律进行了修正。根据相似律的研究结果,钻地弹的侵彻深度与缩比率成正比关系,但是,该结论忽略了侵彻过程中靶介质动态强度应变率效应的影响。进行了大量的不同缩比率的实验,并收集了相关的实验数据,分析认为,钻地弹的侵彻深度与缩比率呈1.15次方关系。该结论有助于通过缩比实验结果较为准确的预估原型弹的侵彻能力。     

非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律研究

高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明:侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。     

半穿甲弹丸对加筋靶板侵彻的终点弹道的实验和理论研究

以舰船典型筋板结构为目标,设计了带加强筋的结构靶,并用模拟实验弹体,对单层带加强筋的结构靶进行了斜侵彻实验,通过天幕靶和高速运动分析系统的测量,得到了两种倾斜着靶条件下不同着靶位置的靶前、靶后弹道参数;通过对靶板破坏结果的分析,得到实验弹靶条件下加强筋结构靶的破坏模式。在现有弹丸侵彻均质靶板理论的基础上和一定假设条件下,得到弹丸对加筋结构靶侵彻的终点弹道理论计算模型,弹丸过靶后剩余速度的理论计算结果与实验结果基本一致。     

动能深侵彻弹的力学设计(Ⅱ):弹靶的相关力学分析与实例

介绍了作者关于动能深侵彻弹研究的部分工作。单纯动能弹侵彻存在侵彻深度上限，在技战术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可令动能深侵彻弹尽可能实现最大侵深。其中弹体结构的力学设计尤为重要，如弹形、弹材、质量比、长径比等。进一步开展弹体结构设计的力学研究，包括头部设计、战斗部后盖、装填比、弹形和弹材、侵彻效应中的尺度律、混凝土靶的设计，最后给出若干实例。     

考虑质量磨蚀的高速侵彻弹体的壁厚设计

针对弹体高速正侵彻和斜侵彻混凝土/岩石半无限靶,基于考虑弹头质量磨蚀的弹体轴向阻力计算方法,结合弹体在非对称质量磨蚀及斜侵彻条件下所受的横向作用力,给出了高速弹体在正侵彻和斜侵彻两种状态下弹体结构屈服的分析方法,得到了在给定弹体壁厚条件下保持弹体结构稳定性的弹体极限初始撞击速度的要求,并讨论了不同的弹靶组合条件对弹体极...     

钨杆弹斜侵彻研究

利用二级轻气炮将直径４ｍｍ、长４０ｍｍ的圆往形钨杆加速到１．５～２．１ｋｍ／ｓ的高速度，以入射角＝０～８５侵彻半无限钢靶。通过光电测试和回收样品的观察分析得到了钨杆击靶速度、入射角度对侵彻深度、坑体形状以及弹靶材料微观结构的影响。确认了斜侵彻时坑深的垂直分量与正入射时侵深之间的余弦变化关系。对所得结果进行了简要的讨论。     

先进钻地弹概念弹的次口径高速深侵彻实验研究

同一般钻地弹相比,先进钻地弹撞击速度更高,侵彻深度更大。为实现高速侵彻,实验室研究常采用火炮次口径发射。本文中给出了高速侵彻的实验方法和火炮次口径发射实验技术,并开展了先进钻地弹概念弹的深侵彻缩比实验研究,取得了撞击速度约1.2 km/s的高侵彻能力的实验结果。同时对弹靶的变形破坏分别进行了分析,进一步验证了先进钻地弹的概念可行性。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析

开展2组先进钻地缩比弹高速侵彻混凝土实验,侵彻速度在1130~1650m/s之间。针对弹体结 构特点,金相分析了侵彻后剩余弹体,发现弹体与靶接触的表面(包括弹头和壳体段)均存在明显热影响区 (Heataffectedzone,HAZ),而与靶脱离接触部分未发现明显热影响区,因而弹靶相互作用是热影响区产生的 主要原因。在弹尖部位存在少量绝热剪切带(Adiabaticshearingband,ASB),其对弹体质量损失有一定贡献, 但在实验撞击速度范围内其影响有限。ASB可能引起弹尖非对称磨蚀,进而降低弹体侵彻性能。     

混凝土超高速侵彻效应的相似规律

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的"跨声速效应"。     

PELE垂直侵彻薄靶的机理分析

PELE(横向效应增强型侵彻体)撞击靶板能够产生明显的横向效应,横向效应的强弱受多种因素的影响。通过改变PELE的外壳材料、弹芯材料及着靶速度,对PELE垂直侵彻薄靶进行了实验研究。基于实验结果,对PELE侵彻靶板的过程进行了受力分析,阐明了横向效应产生的机理,建立了破片轴向剩余速度和径向速度的理论模型,模型计算结果与实验结果吻合较好。理论分析和实验结果表明,外壳材料的压拉强度比、弹芯材料的泊松比和弹性模量以及着靶速度等对PELE横向效应影响显著。本研究对PELE的设计和改进有一定的参考价值。     

细长尖头刚性弹对金属靶板的斜侵彻/穿甲分析

给出细长尖头刚性弹（如尖卵、尖锥形）斜侵彻/穿甲金属靶的一个分析模型。在细长尖头弹对中厚度金属靶的斜穿甲中,韧性孔洞扩张为主要的穿甲机理;着靶初期,发生方向角的改变。研究表明,金属靶的斜穿甲仅由4个量纲一参数控制,即冲击函数I、弹体几何函数N、量纲一靶厚和撞击斜角。分析得到显式的侵彻深度、终点弹道极限、剩余速度和撞击方向改变角表达式。该模型可预期跳飞发生的临界条件。理论预期与实验结果吻合较好。     

SIMILARITY LAWS OF HYPERVELOCITY PENETRATION EFFECTS OF CONCRETE1)

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s 的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson 数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的“跨声速效应”。     

弹体高速侵彻混凝土靶质量损失和头形钝化的数值模拟研究

弹体高速侵彻混凝土靶体时,弹靶间相互作用引起的弹体质量损失和头形钝化效应能够导致弹体结构和弹道严重失稳,从而降低弹体侵彻效能.假设侵彻过程中靶体对弹体的摩擦功全部转化为引起弹体表面材料熔融和剥离的热能,弹靶间摩擦为一般形式的摩尔库伦摩擦,论文建立了考虑质量损失和头形钝化的半刚性弹二维弹道的计算方法并编制了相关程序,该程序避免了采用速度相关摩擦系数得到摩擦功解析解的困难,并可计算侵彻过程中所有参数(侵彻深度、质量损失、速度、加速度等),且可直接推广应用于斜侵彻问题.在此基础上,讨论了指数衰减和零滑动摩擦系数形式,通过对比弹体质量损失和侵彻后头形钝化计算结果与实验数据,验证了论文方法从适用范围、物理意义和理论基础方面的适用性和优越性.数值计算结果表明,将滑动摩擦系数取为零忽略了弹靶间摩擦力与侵彻瞬时速度的关系,故其进一步推广应用有待商榷.     

截卵形弹头对混凝土靶侵彻性能的试验研究

介绍了截卵形弹头钻地弹对混凝土靶的侵彻试验研究结果。根据缩比钻地弹侵彻过程的高速录像和试验结果对弹丸运动状态进行了分析,得出了截卵形弹头钻地弹侵彻混凝土靶的速度变化曲线和阻力变化曲线;利用缩比理论,给出了标准钻地弹对混凝土靶侵彻性能的计算方法和分析结果。     

SIMILARITY LAWS AND SCALING OF PENETRATION TESTS

利用球形空腔膨胀理论的响应函数对靶板在弹体撞击下的侵彻进行分析，并基于量纲理论建立了侵彻相似律的一般形式.通过对侵彻混凝土靶的已有实验数据进行分析，得到了不同缩比因子下，无量纲侵彻深度曲线随侵彻速度不同而发生偏转和偏移.考虑到材料的应变率效应和损伤演化，认为几何相似律对混凝土等脆性材料在抗侵彻时不成立，有必要引入材料应变率效应和损伤演化对几何相似律的修正.     

弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析

由于混凝土靶体抗刚性弹侵彻实验大多基于缩比弹体展开,侵彻深度相似律是否成立显得尤为重要。在侵彻相似模型基础上,综合分析已有侵彻实验数据及经验公式,发现侵彻深度在通常情况下存在尺寸效应,且无量纲侵彻深度随弹体尺寸变大而增大。但如果模型以及原型实验中弹体与混凝土靶体（包括粗骨料）严格等比例设计,侵彻深度相似律是成立的。不变的骨料特征（粗骨料未随弹体尺寸缩放）是引起侵彻实验以及侵彻经验公式中尺寸效应的主要原因。为研究由粗骨料引起的侵彻尺寸效应,开发了混凝土二维细观有限元建模程序,细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应,考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻实验。     

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和冲击成坑+钻孔区两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运 用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状 变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参 数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的 侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分 析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。     

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。