脆性陶瓷靶高速侵彻/穿甲动力学的研究进展

近10年来, 有关陶瓷的材料特性和陶瓷及陶瓷复合靶的高速侵彻$\!/\!$穿甲动力学研究已成为国际冲击工程界的热点研究领域. 相关研究有着现实的军事需求和应用背景. 国内在该领域的研究工作相对较少. 本文着重给出陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻$\!/\!$穿甲动力学的国外研究现状.对陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻$\!/\!$穿甲的实验方法、作用机理和理论模型等进行综述, 介绍空腔膨胀模型在陶瓷侵彻力学中的应用以及脆性材料高速侵彻效应中的失效波效应. 文章最后给出近期可开展的工作建议.      

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。     

尖头弹穿甲韧性金属靶模型分析

基于延性扩孔模式,分析了尖头弹穿甲韧性金属靶的Chen-and-Li模型和Forrestal-and-Warren模 型。结果表明,2种模型形式相同但适用范围不同,差异源于分别应用球形和柱形动态空腔膨胀理论。将2 种模型与相关尖头弹穿甲金属靶的实验数据做了比较,对应于尖头刚性弹对韧性金属靶的延性扩孔穿甲,理 论分析与实验结果吻合。     

激波管聚酯膜片变形过程分析

使用聚酯薄膜作为激波管膜片,通过施加不同压力的激波管实验,获得了膜片厚度及多张膜片的组合方式对膜片所能承受最大压力的影响。利用高速相机对激波管膜片从开始变形到破坏的全过程进行拍摄,使用三维DIC软件获得膜片在变形过程中的位移场。实验发现了膜片会出现圆弧反翘并快速破坏的特别现象,并以此为特征将变形过程分为2个阶段。给出任意厚度膜片第1阶段圆弧变形的数学规律及第2阶段圆弧反翘的形状特征,以及全过程中膜片厚度变化的数学规律。     

弹体正侵彻钢筋混凝土靶的试验及数值模拟研究

开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验,通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值;结合数值模拟,分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明:处于弹道附近的混凝土压力最大,峰值脉冲明显;随着距离的增加,峰值减小且脉宽增大,应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度,破裂区钢筋处于弹性状态,弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。     

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。     

程序升温反应法由纳米氧化铁制备纳米氮化铁

先以廉价的无机铁盐为主要原料,采用沉淀法和溶胶凝胶法制备纳米氧化铁粒子,由此得到粒径大小在10～20nm,20～40nm和40～60nm的氧化铁,在此基础上,以纳米氧化铁为前体,在氨气气氛下由程序升温反应法制备纳米氮化铁.研究发现,纳米氧化铁经程序升温反应氮化后,可以制备出纳米尺度的氮化铁.不同大小的氧化铁纳米粒子氮化后尺寸存在明显的差异,在一定范围内,小粒径的纳米氧化铁氮化后更容易长大;对于大小相近的γ相与α相纳米氧化铁粒子,γ氧化铁纳米粒子氮化后尺寸增大更为显著.制得的氮化铁的形貌与其氧化铁前体保持一致.     

平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式

平头弹贯穿单层金属靶,随着靶厚的增加和弹速的增高,穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此,对于双层或多层靶的穿甲,其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析,讨论其穿甲模式。弹速较高时,贯穿第1层靶发生绝热剪切失效,弹速降低,贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效, 最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。     

一种基于面-面局部搜索的接触算法

接触-碰撞算法是影响动态接触问题数值分析精度的重要因素,发展健壮、精确的局部搜索算法对提高数值模拟精度具有重要意义。为解决点-面接触搜索算法存在的盲区问题,提出了一种基于面-面的局部搜索算法,并发展了相应的接触力计算方法。新的接触算法以面心坐标与特征长度表征接触片,进行预搜索快速排除不会发生接触的潜在接触对;利用主从接触片的投影与侵入深度关系确定接触片间的接触状态;利用等参逆变换解析给出接触点,避免了方程组的迭代求解。典型算例与工程实例计算表明,本文算法消除了接触搜索的盲区,具有很好的健壮性与计算精度。     

平头弹穿透金属靶板的模式分析

对平头弹穿透金属靶的剪切冲塞和绝热剪切冲塞两种可能穿甲模式进行分析. 对作者先前提出的绝热剪切冲塞失效模型进一步发展,给出在绝热剪切冲塞条件下修正的终点弹道极限和剩余速度. 对相关的平头弹穿甲WeldoxE系列钢靶的试验数据进行分析比较,讨论靶板厚度、靶材强度对终点弹道性能的影响. 更多实验数据证实:在一定靶厚时由于靶板的结构响应导致弹道极限附近存在剩余速度跳跃;随靶厚和靶材强度增加,穿甲模式由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换.