卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

 基于球形空穴膨胀理论（SCE）,采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无须划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹,靶体为6061-T6511铝合金。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角等实际情况,并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,发现模拟结果与实验结果吻合得很好,并得到了一些有意义的推论。     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究北大核心CSCD

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

有限尺寸方靶等离子体离子注入动力学的三维粒子模拟研究

采用三维粒子模拟模型研究了有限尺寸方靶等离子体浸没离子注入过程中的鞘层动力学行为,得到了鞘层尺寸和方靶表面的注入剂量、注入能量以及注入角度等信息,并与二维无限长方靶注入结果进行了对比.模拟结果表明,与无限长方靶不同,有限尺寸方靶周围鞘层很快扩展为球形,但鞘层厚度明显减小.在模拟的50ω^-1_pi时间尺度内靶表面注入剂量很不均匀,中心区域注入剂量最小,四个边角附近位置注入剂量最大.这种剂量不均匀性是由于鞘层扩展为球形,使得鞘层内离子被聚焦并注入到边角附 关键词： 等离子体浸没离子注入 数值模拟 三维粒子模拟 有限尺寸方靶     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

弹体贯穿钢筋混凝土板有限元模型比较分析

为研究钢筋对混凝土靶侵彻作用的影响,基于混合物理论,建立了钢筋混凝土的等效混合物模型,同时还建立了将钢筋等效为钢板和素混凝土板的有限元模型,并通过弹体贯穿剩余速度、靶体压力场对两种方法进行比较,分析侵彻作用过程。计算结果表明:基于混合物理论的等效钢筋混凝土混合物模型能够较好地反映侵彻时钢筋的作用,既可以满足计算精度,又能够简化建模过程,提高计算效率,是进行侵彻数值分析的有效简化方法;钢筋混凝土板自由表面附近的钢筋分布能够提高靶对弹体的阻力,但其作用效果有限。     

动态柱形空穴膨胀模型及其在侵彻问题中的应用

 在侵彻问题中的应用进行了研究。通过采用相似变换求解塑性区控制方程,获得了动态柱形空穴膨胀中的弹塑性界面速度、径向应力分布、空穴表面应力的解。基于柱形空穴模型,推导了侵彻方程,并将其得到的预测结果与侵彻实验数据进行了比较。结果表明,模型的理论解与现有数据吻合得很好。 结果还显示了材料的可压缩性和塑性强化模量对柱形空穴膨胀以及侵彻阻力的影响。     

双硬度靶对球形弹丸的防护性能

以钢/铝双硬度爆炸焊接复合靶为研究对象,采用系列弹道实验和数值模拟方法,研究了其在球形弹丸垂直侵彻作用下的抗侵彻性能。侵彻实验利用直径为14.5mm的滑膛枪发射直径为6mm的钢质球形弹丸;采用LS-DYNA3D非线性有限元程序和有限元-光滑粒子流体动力学(FE-SPH)耦合法,进行数值模拟。基于实验和数值模拟结果,分析了不同靶板的毁伤机理和破坏模式,以及靶板厚度、强度等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形弹丸的垂直侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;对于双层靶而言,钢面板与铝背板的厚度比约为2/3时,复合靶的抗侵彻性能最差;数值计算结果与实验结果吻合良好,表明FE-SPH耦合算法可较好地预测双层复合靶板的抗侵彻性能。     

铝靶激光反射率的动态研究

本文分析了强激光作用下铝合金靶表面反射率的时间变化规律。利用转镜调Ｑ钕玻璃激光器和积分球装置对铝ＬＹ１２的表面激光反射率动态变化规律进行了测量，得到了功率密度在１０￣６～１０￣９Ｗ／ｃｍ￣２范围内的相应结果。同时，从金属近自由电子模型－Ｄｒｕｄｅ理论出发，对金属铝的电导率与温度变化关系进行了数值模拟，亦得到了相应的反射率变化规律，实验结果与数值模拟结果基本符合。当激光功率密度更同时（１０￣１１～１０￣１５Ｗ／ｃｍ￣２），由等离子体模型和局部热力学平衡（ＬＴＥ）理论，得到了反射率随温度变化的数值模拟结果，与国外的实验结果符合得较好。     

弹丸形状对超高速撞击厚合金铝靶成坑影响的数值模拟

采用AUTODYN软件进行了弹丸形状对超高速正撞击厚合金铝靶成坑过程影响的数值模拟。给出了二维及三维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击厚合金铝靶所产生弹坑的损伤特性尺寸和成坑形状的影响,并与球形弹丸撞击所产生的坑进行了比较。结果表明：弹丸的长径比越大,弹丸的撞击成坑深度越大;非球弹丸的形状和撞击方向不同,成坑的形状和损伤的特征尺寸是不同的。     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,损伤航天器飞行关键系统,进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计,是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟,给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较,模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

超高速撞击下钛基复合材料动力学行为研究

 基于已有的铝合金超高速撞击实验研究结果,采用动力分析软件,对铝球撞击铝板进行了数值模拟,验证了数值模拟结果的可靠性,进而对铝防护屏以及与铝防护屏质量相同的钛基复合材料（TMC）防护屏进行了5.52、7.00、和8.00 km/s速度下的超高速撞击模拟,分别对直径为5.02 mm的铝球以及质量等同于铝球的钛基复合材料球做了3种速度下撞击铝屏和钛基复合材料防护屏的数值模拟。通过数值模拟研究可以看出,随着撞击速度的增加,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏;速度不变,钛基复合材料防护屏防护钛基复合材料球撞击的效果好,铝防护屏防护铝球撞击的效果好。通过超高速撞击模型分析可知,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏。     

高速碰撞过程中应变硬化材料靶动态响应研究

 给出了适用于可压缩、弹塑性、按幂次律应变硬化材料的动态柱形腔膨胀模型和侵彻模型，并编制了相应的计算程序。腔膨胀模型给出靶中应力分布情况，侵彻模型根据腔膨胀模型的有关结果来预估具有锥形头部的刚性弹丸侵彻半无限厚靶的最终侵彻深度以及贯穿薄靶时的弹丸剩余速度和弹道极限速度。给出了钨合金弹丸正碰5083-H131铝靶和钢弹丸正碰6061-T651铝靶的一些计算结果，计算结果与实验结果及二维拉氏弹塑性LTZ-2D程序的数值模拟结果符合得很好。     

双层A3钢靶对平头杆弹的抗侵彻性能研究

 钢板被广泛用于构建防护结构,大量文献报道了单层金属靶的防护性能,而对双层金属靶,特别是大间隙双层金属靶,报道的却很少。在轻气炮上进行了平头杆弹体正撞击由两层5 mm厚A3钢板组成的接触式和具有200 mm间隙的间隙式双层靶的实验研究,得到了两种结构的初始-剩余速度曲线。实验表明：（1）两种形式双层靶均发生了充塞剪切;（2）接触式双层靶的弹道极限是5 mm单层A3靶的1.92倍;（3） 间隙式双层靶的抗侵彻性能具有较大的分散性,通过高速摄像和对回收靶板的分析表明,该分散性产生的原因是,弹体贯穿第一层靶后存在两种典型弹道状态;（4）间隙式双层靶存在两个弹道极限;（5）接触式双层靶的弹道极限接近或者大于间隙式双层靶的弹道极限。使用ABAQUS/EXPLICIT有限元软件进行了相应的数值模拟,得到了与实验一致的现象和结果。     

The total charge-changing cross sections and the partial cross sections of 56Fe fragmentation on Al,C and CH2 targets

The total charge-changing cross sections and the partial cross sections of ⁵⁶Fe fragmentation on polyethylene, carbon and aluminum targets at the highest energy of 496 A MeV are investigated using CR-39 plastic nuclear track detector. The total charge-changing cross-section for hydrogen target is calculated based on the results of polyethylene and carbon targets. It is found that the total charge-changing cross sections for fragmentation of ⁵⁶Fe on hydrogen, carbon and aluminum targets are independent on the beam energy in our studied energies, and are consistent with the predictions of Bradt–Peter semi-empirical formula, Nilsen parameterized formula, NUCFRG2 and QMSFRG theoretical simulation codes. The partial cross sections for projectile fragment production are independent on beam energy in our studied energies for each targets and do not show a significant even-odd effect.     

Scaling Invariance and Characteristics of the Cloud of Spherical Projectile Fragmentation Products upon High-Velocity Impact on a Thin Mesh Shield

In this paper, we consider the problem of the fragmentation of an aluminum projectile on a thin steel mesh shield at high-velocity impact in a three-dimensional (3D) setting. The numerical simulations are carried out by the smoothed particle hydrodynamics method applied to the equations of mechanics of deformable solids. Quantitative characteristics of the projectile fragmentation are obtained by studying statistics of the cloud of fragments. Considerable attention is given to scaling laws accompanying the fragmentation of the projectile. Scaling is carried out using the parameter K, which defines the number of the mesh cells in the projectile diameter. It is found that the dependence of the critical velocity V_c of fragmentation on the parameter K consists of two branches that correspond to two modes of the projectile fragmentation associated with the “small” and “large” aperture of the mesh cell. We obtain the dependences of the critical velocity V_c on the projectile diameter and the mesh parameters for both modes of the fragmentation. It is shown that the average cumulative mass distributions constructed at V_c exhibit the property of scale invariance, splitting into two groups of distributions corresponding exactly to the modes of the projectile fragmentation. In each group, the average cumulative distributions show good coincidence in the entire mass region; moreover, in the intermediate mass region, each group of distributions has a power-law distribution with an exponent τ different from that in the other group. Conclusions about the dependence of the exponent of the power-law distribution τ on the fragmentation mode are made.     

Calculation of stopping power for partially stripped ions using an oscillator model

Collision of swift ions with atoms was considered in this paper. The projectile and target atoms were modeled as assemblies of quantum oscillators and it was assumed that both, target and projectile could be excited or ionized, without charge exchange. The model presented here is an extension of the one given by Sigmund and Haagerup [Phys. Rev. A 34, 892 (1986)]. The number of electrons bound to the projectile, as a function of the projectile velocity, was used from Cabrera-Trujillo et al. [Phys. Rev. A 55, 2864 (1997)]. Contributions to energy loss from excitation of the projectile and targets were separately considered. It has been found that projectile excitation contributes up to 20% to the total energy loss in the lower energy region. Comparisons with other authors, including SRIM 2003, are also given and good agreement was found.     

Modeling the ballistic response of the 14.5 mm BS41 projectile

This article presents computed results of the U. S. Army Research Laboratory (ARL) 14.5 mm BS41 projectile impacting steel targets with varying impact conditions. The ARL BS41 is a complex projectile that includes a soft metal jacket, lead filler, inert powder and a high-strength tungsten carbide (WC) core. The WC core includes a nominal 6 wt% cobalt binder (WC-.06Co) producing significant ductility in compression but very little in tension. Recent 3D numerical algorithm advancements and a more accurate material model for WC produce computed results that are in good agreement with experimental results. The computed results demonstrate the ability to reproduce several key observations: the stripping of the steel jacket, lead filler and inert powder when impacting thin and thick steel targets; rigid body penetration of the WC core into thin and thick steel targets for normal impact; severe fracture and fragmentation of the core when impacting obliquely; and core fracture due to a yaw angle at impact. The computed results may also explain why the core fractures at low obliquities and shatters at high obliquities. Experimental data are also discussed and compared to the computed results.