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。     

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。

     

卵形头部刚性弹侵彻厚靶的半解析模型

基于确定靶体中速度势和速度场的方法分析刚性卵形头部弹体对有限厚靶的侵彻问题。推导了靶体中速度场与应力场的计算方法,利用据此编制的计算程序,计算了卵形头部钢弹体对铝靶的侵彻与穿透问题,给出了侵彻深度与剩余速度同初始碰撞速度的关系。结果表明,在对实验参数不经过任何调整的情况下,得到了同试验曲线相吻合的结果。可以看出该方法的有效性。     

刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型

为描述刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体姿态变化,针对已有贯穿模型存在的问题,在斜侵彻贯穿过程中考虑了弹体转动惯量对姿态偏转的影响,根据弹体贯穿靶板后的成孔特性重新假设了背靶面崩落块形状,并在弹体贯穿出靶的剪切冲塞阶段引入了弹体姿态二次偏转机制,从而建立了刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型,同时给出了混凝土薄靶、中厚靶和厚靶的分类方法。多种侵彻状态的理论模型计算结果均与实验测量结果吻合较好,表明本文理论模型可有效预估弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体出靶姿态。     

刚性弹侵彻深度和阻力的比较分析

根据刚性弹侵彻动力学的量纲一侵彻深度公式,分析了刚性弹侵彻过程中弹丸所受的靶板阻力,并从冲量角度讨论了常阻力假设适用的撞击速度阈值vc,得出统一的表达式,求出了针对不同弹靶系统的相应vc值。根据相关数值模拟结果,进一步验证了所求vc值的正确性,同时也检验了不同侵彻深度公式的适用范围。     

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。     

异型头部弹体增强侵彻性能机理研究

为了了解理想刚性弹丸的高速/超高速动能侵彻中弹体头部形状对侵彻能力的影响,在空腔膨胀理论基础上,基于双卵形异型头部设计,分析了头部形状系数与双卵形特征参数的依赖关系,得到了不同异型头部弹体对侵彻性能的影响规律,提出了具有较小侵彻阻力的异型头部侵彻体设计方案。与不同头部侵彻实验结果对比表明,本文的分析方法合理可行,可为高速侵彻体头部形状设计提供参考。

     

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°。     

卵形杆弹对铝靶的斜侵彻

在Lagrange有限元基础上,扼要介绍了一种适用于三维斜侵彻数值模拟计算的滑移面处理技术。该方法放弃了传统滑移计算中从单元的设置,而代之以预设从节点,从而避免三维斜侵彻数值计算中主从单元的相交、滑移面的识别、修正与再定义的困难。在确保计算精度的同时,有效地提高了计算效率。卵形杆弹对铝靶侵彻的系列数值模拟计算表明,无论对于正撞击或斜撞击,本文中所获结果与实验结果都有良好的一致性,这说明本文中所述方法和所建程序的合理性和有效性,为侵彻贯穿过程的数值分析提供了一种实用和有效的手段。     

12.7 mm动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟研究

通过弹道枪实验对斜置角度为0°～60°的陶瓷复合装甲进行了弹道极限测试,分析了靶板斜置角度对穿燃弹的弹道极限和钢芯质量变化、破坏形态的影响。利用数值模拟的方法对上述实验结果进行验证计算,鉴于数值计算结果与实验结果较好的一致性,进一步研究了陶瓷复合靶板斜置角度对穿燃弹钢芯穿靶偏移角和等效Q235钢靶厚度的影响。结果表明,随陶瓷复合靶板斜置角度的增大：弹道极限近似指数型提高;在相同弹道极限速度下,穿燃弹对Q235钢靶板的极限穿深和对斜置陶瓷复合靶板的极限穿深的等效厚度的比也随之增大;同时,钢芯完整度逐渐降低,穿靶偏移角反向增大。

     

斜侵彻混凝土靶的刻槽弹体的结构响应

基于刚塑性理论和侵彻载荷理论分析,将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁,给出了弹体在侵彻混凝土早期的刚体响应行为,得到了弹体任一截面弯矩、剪力以及屈服函数的分布规律。基于此理论分析,得到了刻槽弹体壁厚、材料屈服强度、初速及倾角对弹体弯曲的影响规律。     

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。     

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。     

头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验与理论模型

在综合考虑弹体结构稳定性及截面比动能的前提下, 提出一种介于尖卵形弹体及尖锥形弹体间的头部对称刻槽弹体, 以期达到提高侵彻深度的目的。以尖卵形弹体侵彻深度为基准, 开展头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验。在此基础上, 推导得到可描述头部对称刻槽弹体侵彻2A12铝合金靶过程的局部相互作用模型。同时, 结合头部对称刻槽弹体侵彻后靶体破坏现象, 提出适用于头部对称刻槽弹体的靶体响应力, 进而确立头部对称刻槽弹体的侵彻深度模型。实验结果与理论计算表明, 头部对称刻槽弹体具有相对于尖卵形弹体更好的侵彻能力。头部对称刻槽弹体侵彻深度提高的原因是弹体头部结构截面比动能增加及其侵彻过程中的靶体弱化效应, 其中弱化效应是侵彻深度提高的主控因素。

     

刚性弹侵彻不同靶材的侵彻深度比较

根据刚性弹侵彻动力学的量纲一侵彻深度公式,通过比较刚性弹侵彻不同靶材的侵彻深度,提出不同靶材之间可以互相替换进行实验研究的思想。讨论了相同弹丸在相同撞击速度下对不同靶材的侵彻深度的比例关系。结合现有相关实验中的数据来验证和分析对于不同靶材量纲一侵彻深度公式的实用范围以及不同靶材之间互相替换的可行性,得出了具有工程实用意义的结论。     

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。     

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

夹心弹对半无限钢靶的侵彻特性

为研究夹心长杆弹在较大速度范围内的失效机理、侵彻性能及影响因素,在较大着靶速度（0.9～3.3 km/s）下开展了两种夹心弹侵彻半无限厚4340钢靶的弹道实验,并结合数值模拟方法进行了深入分析。实验和数值模拟结果表明：超高速（＞2.0 km/s）条件下,均质钨合金弹和夹心弹均呈现出显著的流体动力学侵彻特性;中低速度（0.9～1.8 km/s）条件下,均质钨合金弹始终呈现出典型的“蘑菇头”失效,而夹心弹始终呈现出“co-erosion”失效;特别地,初速为936 m/s时,1060铝外套夹心弹的失效模式由初始的“bi-erosion”在后期转变为“co-erosion”。在实验速度范围内,中低速度下,夹心弹的侵彻性能低于均质钨合金弹;而在超高速条件下,两者的侵彻性能基本一致。然而,初始入射动能相同时,夹心弹的侵彻性能显著优于均质钨合金弹;与外套材料的密度相比,其强度对夹心弹侵彻性能的影响更显著,且外套材料强度越小,弹体的侵彻性能越好。综合分析可知,进行夹心弹设计时,应优先选取密度小、强度适中的材料作为外套材料。

     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。