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。     

筒状弹体垂直侵彻钢筋混凝土墙的数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA软件,对钢筋混凝土墙在受到筒状弹体侵彻撞击、钢筋约束力,及壁面摩擦力等综合作用下的力学效应进行了数值模拟,展现了弹体冲击作用下,钢筋混凝土靶体破碎、飞溅成坑、墙体整体滑移和背面层裂等现象,计算结果与试验宏观破坏现象吻合良好,说明材料模型和参数正确,模拟方法可行.     

仿生结构陶瓷金属复合板抗冲击性能数值研究

复杂组合形式的仿生结构往往具有比单一结构更为优异的性能,为了探索仿生结构陶瓷金属复合板的抗冲击性能,建立了陶瓷金属复合板模型,考虑了砖砌式与龟甲式仿生结构,分别模拟了传统陶瓷金属复合板与仿生结构陶瓷金属复合板受弹体高速冲击的过程。通过对比侵彻各结构复合板后的弹体残余速度,得到了仿生结构陶瓷金属复合板在抗冲击性能上要优于传统陶瓷金属复合板的结论,并进一步通过对比分析了侵彻过程中的弹体剩余速度、陶瓷板损伤情况以及各层板能量损耗结果,分析结果表明：仿生结构较传统结构有局部更为严重的裂纹损伤,并且底层陶瓷板具有更大的陶瓷损伤锥角;仿生结构较传统结构的各层板耗散了更多的能量并且延长了弹体的有效侵彻时间;黏接层能够进一步抑制仿生结构的裂纹扩展和损伤范围。     

约束及增韧对氧化铝陶瓷抗射流侵彻性能的影响

基于DOP实验方法开展了2种约束氧化铝陶瓷抗射流侵彻性能系列实验研究,分别获取了AD95陶瓷及10%氧化锆增韧陶瓷抗射流侵彻过程的侵彻深度-时间（P-t）曲线及他们在验证靶上的剩余穿深,并与45钢的抗侵彻数据进行了对比。结果表明:2种陶瓷抗射流侵彻的防护因数均大于1;约束陶瓷抗射流侵彻能力得到了较大提高;增韧陶瓷抗射流侵彻能力优于AD95陶瓷。基于实验结果分析了约束陶瓷抗射流侵彻的机理,提出约束边界反射产生的回爆对射流稳定性的干扰是约束陶瓷抗射流侵彻能力提高的主要原因。     

弹头部形状对侵彻影响的数值模拟研究

采用MOCL(Markoncellline)分界面跟踪算法,用二维多流体网格法的欧拉程序,对卵型头和平头动能弹侵彻混凝土平靶的过程进行了数值模拟研究,给出了侵彻过程中的物质变形情况及对应的破坏区域。基于计算结果,分析了弹头部形状对侵彻的影响。得出卵形头弹体的穿透过程是一种刺穿性模式,对靶孔周围破坏区域呈现出两头大、中间小的M型;而平头弹体则是一种挤凿性模式,对靶孔周围破坏区域较小。穿透同样的靶板,平头弹的侵彻耗能比卵形头弹侵彻耗能大,剩余速度小。     

椭圆截面弹体侵彻性能的影响因素分析

为研究截面形状和头部曲径比对椭圆截面弹体侵彻性能的影响,开展了圆锥和椭圆锥压头的静态压痕试验,获得了不同截面压头缓慢贯入材料时的力-位移曲线。随后,基于30 mm弹道炮平台,开展了3种不同椭圆截面弹体在400～800 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12厚铝靶试验,获得了靶体的破坏形貌及弹体侵彻深度。基于空腔膨胀模型及阻力函数修正系数,建立了椭圆截面弹体侵彻金属厚靶侵彻动力学模型,结合试验结果验证了模型的有效性,并系统分析了弹体截面形状和头部曲径比对侵彻性能的影响。研究结果表明,与圆锥压头相比,具有相同截面面积的椭圆锥压头贯入材料时阻力更大,当压头的截面长短轴比从1.00增大至2.00时,贯入阻力增大10.1%。当弹体截面面积相当,且各横截面保持长短轴比不变时,椭圆截面弹体的长短轴比越大,其侵彻性能越差;椭圆截面弹体侵彻性能随着截面长短轴比的增大和头部曲径比的减小而降低。     

UHMWPE背板厚度对铝复合板抗侵彻增强效应分析

为研究超高分子聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE）背板厚度对铝复合板抗钨球侵彻效果的影响,利用数字图像相关方法（digital image correlation method, DIC）与X射线电子计算机断层扫描（computed tomography, CT）得到UHMWPE受到冲击后的动态响应及局部破坏。建立钨球以不同速度侵彻Al/UHMWPE复合板的有限元模型,研究不同冲击速度下UHMWPE背板厚度对复合靶板吸能性能的影响,所用背板厚度为1.6～20 mm。结果表明：铝板在冲击作用下发生绝热剪切破坏,正交铺设纤维层产生纤维凸起和分叉应变带。随着背板厚度增大,纤维层由剪切破坏向拉伸破坏过度,纤维层应变带由十字形转变为X形。UHMWPE板厚度的增大有效地阻碍了铝块塞体运动,从而增加了破片侵彻铝板的时间与动能消耗。UHMWPE背板厚度对吸能性能影响呈先快速上升至阈值,后缓慢下降的趋势,说明PE板到达一定厚度后,通过增加厚度的方法来提升其吸能性能的作用有限。     

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程,并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用,其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好,可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。     

刚玉块石粒径对刚玉块石砼抗侵彻性能影响的试验研究

对刚玉块石粒径对刚玉块石砼抗侵彻性能的影响进行了试验研究,结果表明,刚玉块石粒径越大,布置越紧密,刚玉块石砼的抗侵彻性能越强;在提高材料遮弹性能上,设法使弹体破坏比使其偏转效果更佳。     

球形弹丸作用下钢/铝爆炸复合靶的抗侵彻性能

采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸对双层钢/铝、3层钢/铝/钢爆炸复合靶进行侵彻实验,借助LS-DYNA3D非线性有限元程序进行数值模拟,应用固连-失效模型反映层间结合,分析了不同组合形式对靶板抗侵彻性能的影响,并对毁伤机理进行初步分析.结果表明:靶板总厚度一定时,3层靶的抗侵彻性能优于双层靶;双层...     

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。     

Al2O3陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能和机理实验研究

用DOP(depthofpenetration)实验研究了质量分数为 90 %的Al2 O3 陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能。实验表明 :随陶瓷厚度的增加 ,以差分效益系数和靶平均阻力表征的陶瓷复合靶的抗长杆弹侵彻性能降低 ;盖板能增强陶瓷复合靶抗侵彻性能。对回收陶瓷和盖板的破坏特征分析表明 :长杆弹对陶瓷复合靶侵彻过程大致可分为初期侵彻和稳定侵彻两个阶段 ,但对薄靶和厚靶 ,两个阶段在整个侵彻过程中所占比重不同。     

钨合金长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟

用自编计算程序给出了长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟。其中层合板的面板和背板均为装甲钢,中间为3层氧化铝陶瓷。装甲钢和长杆弹材料的本构关系采用Johnson-Cook模型,将Mohr-Coulomb盖帽模型与Bodner-Partom模型相结合来描述氧化铝陶瓷的失效和流动过程。为了提高有限元的计算精度,使用了一致质量矩阵迭代法,破坏网格的处理采用了网格侵蚀法。数值模拟的最终穿深计算结果与实验一致。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

计及热传导影响对长杆弹侵彻陶瓷靶的数值分析

采用有限元方法离散瞬态热传导方程,编写成侵彻过程热传导计算模块,并将之嵌入已有的冲击动力学程序中,然后运用于长杆弹在900~1 800 m/s着速范围内侵彻AD95陶瓷靶的数值分析,得到了符合物理事实的计算图像,所得的计算结果比采用传统的绝热模型得到的计算结果更符合实验结果。探讨了计及热传导效应对长杆弹侵彻AD95陶瓷靶数值模拟的影响:着速在900~1 350 m/s范围内时,计及热传导的数值计算所得侵深小于绝热模型计算结果;着速在在1 350~1 450 m/s范围内时,两种模型计算侵深接近;着速在在1 450~1 800 m/s范围内时,热传导模型计算侵深大于绝热模型计算结果。     

应用仿生原理设计遮弹层及其抗侵彻数值模拟分析

通过对木、贝壳珍珠层等自然复合材料强韧化的细观机理研究，应用仿生学原理，提出了一种新型蜂窝状钢管约束混凝土遮弹层结构；并对构成该新型遮弹层结构中的单个构件一钢管混凝土短构件抗侵彻的机理进行了研究；然后，应用IS—DYNA程序对单个钢管混凝土短构件抗侵彻的性能进行了数值模拟；通过仿真计算，表明钢管混凝土短构件比同强度的素混凝土构件的抗侵彻能力有较大提高。因此，由钢管混凝土短构件构筑的仿生遮弹层，将会增加其抗侵彻能力。     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

结构变形对深侵彻弹体偏转的影响

钻地弹是打击地下工事的利器,弹道偏转是降低钻地弹侵彻效率的重要原因之一,弹道偏转的本质原因是弹体偏转,亟需快速且精确地预测多侵彻姿态下弹体的侵深与偏转角度。基于微分面力法,将计及有限大靶所有自由面影响的靶体响应力函数加载在弹体表面,快速模拟了弹体的运动和变形。靶体响应力函数和数值计算模型通过了试验校核。利用刚性弹与可变形弹的运动和变形的对比,剥离并分析了结构变形对弹体偏转的影响。分析显示,结构变形是可变形弹偏转的驱动源之一,其可改变弹体外力矩,并影响弹体瞬时偏转速度。相同条件下,可变形弹偏转角度大于刚性弹。随着弹体长径比减小、着靶速度降低及侵彻斜角增大,刚性弹偏转角度增大;而随着弹体长径比增大、侵彻斜角增大及弹体壁厚减小,可变形弹偏转角度增大。着靶速度对可变形弹偏转角度的影响不单调。当着靶速度不高于800 m/s、侵彻斜角不小于20°时,着靶速度越高、侵彻斜角越大、弹体长径比越大、壁厚越小,则结构变形对弹体偏转的贡献越大。为此,建议选择可变形弹分析非理想侵彻弹体的运动和变形,以提高分析精度与合理性。     

EFP模拟弹丸侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

运用LS_DYNA程序中描述陶瓷本构关系的JHC模型和二维轴对称拉格朗日算法,对EFP模拟弹丸侵彻不同厚度99氧化铝陶瓷块/金属复合靶试验进行了数值模拟,获得了侵彻过程中陶瓷的损伤演化和分布以及在A3钢背板中的侵彻深度,与实验结果进行了比对,总的侵彻深度基本相符。数值模拟和试验所得残余侵彻深度与陶瓷厚度之间基本上都呈一种良好的线性关系,因此所得质量防护系数和差分防护系数都随着陶瓷厚度的增加而增加。通过分析侵彻过程中的陶瓷损伤与演化发现:陶瓷块尺寸过小时会由于稀疏波作用使陶瓷抗弹性能下降。     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。