核工程钢板混凝土墙防撞击贯穿实用计算方法

针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙,研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法,建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时,利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算,避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性,将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比,结果表明：防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态,实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围,将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析,结果表明：除1个工况计算结果偏差略超10%外,其余工况的偏差均在10%以内,说明该计算方法合理可行。

     

水滴超高速撞击Whipple防护结构的毁伤特性

采用水中泡大的高吸水性材料模拟水滴,开展了常温下直径为3.7和6.4 mm的球形水滴超高速正撞击典型Whipple防护结构（由缓冲板和效应板构成）的实验研究,得到了不同直径的水滴弹丸撞击下双层铝板的毁伤特性。采用LS-DYNA软件的有限元方法-光滑粒子流体动力学（finite element method-smoothed particle hydrodynamics, FEM-SPH）自适应方法对Whipple防护结构在直径为3～7 mm的水滴不同速度撞击下的毁伤特性进行了研究,分析了水滴直径、撞击速度、靶板厚度等因素的影响,给出了2～8 km/s速度范围内水滴超高速撞击铝板的无量纲穿孔直径经验公式,得到了3～7 mm水滴弹丸击穿Whipple防护结构所需的最低速度。

     

动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性数值模拟

基于有限元-光滑粒子流体动力学（FEM-SPH）自适应算法,采用有限元软件LS-DYNA对动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性进行了数值模拟,并结合量纲分析方法,分析了动能块的质量和撞击速度对多层防护结构穿孔特性的影响。结果表明：保持其他参数不变,在所研究的质量和撞击速度范围内,所有的动能块均可以穿透全部17层铝合金板,并在靶后形成碎片云,在撞击过程中动能块和铝合金板内部出现层裂现象;第1层铝合金板的穿孔直径随着动能块质量的增大近似呈幂函数增大,拟合误差在5%以内;第2层铝合金板的穿孔直径随着撞击速度的提升也呈幂函数增大,拟合误差在10%以内;碎片云的头部速度随着撞击速度的提升近似呈线性增大。研究结果可为后期分析靶后碎片云的质量与速度分布、建立冲击载荷模型奠定基础。

     

金属多级类蜂窝的压溃行为研究

通过实验和数值模拟方法系统研究了单胞壁开孔金属多级类蜂窝与双胞壁开孔金属多级类蜂窝的压溃行为. 重点分析了试件尺寸、开孔位置、孔偏距和孔梯度等因素对多级类蜂窝力学性能的影响. 结果表明,多级类蜂窝的压溃过程可分为3个阶段：弹性变形、屈曲变形以及密实;单胞壁开孔多级类蜂窝的压溃过程趋向于渐近内凹压溃,而双胞壁开孔多级类蜂窝趋向于轴向压溃;试件尺寸对多级类蜂窝的力学行为有明显的影响,当胞元数达到一定数目时,其力学性能几乎与蜂窝胞元数无关. 单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力大于双胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力,但其平均压溃应力小于双胞壁开孔多级类蜂窝的平均压溃应力;与传统蜂窝相比,蜂窝胞壁开孔设计降低了蜂窝材料的比吸能;孔偏距的存在导致单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力降低,但随着孔偏距的增加其平均压溃应力呈先减低后增加趋势;多梯度孔设计对多级类蜂窝材料的力学性能有重要影响,与均匀孔多级类蜂窝相比,正梯度孔分布设计降低了多级类蜂窝峰值应力,但提高了其平均压溃应力;多梯度孔分布设计对多级类蜂窝的峰值应力和平均压溃应力影响不大.     

一种长杆弹超高速贯穿陶瓷/金属复合靶板的简化模型

基于合理简化假设建立快捷实用的工程分析模型是研究复合靶板抗弹体冲击能力的重要方法。已有弹体冲击陶瓷/金属复合靶板理论模型的形式及计算过程复杂,并且缺少弹体超高速(弹体初速大于1 500 m/s)贯穿复合靶板的实验验证。综合考虑弹体侵彻破碎陶瓷锥体过程中破碎陶瓷强度的下降、弹体初速对破碎陶瓷锥半锥角取值的影响,以及金属背板挠曲变形对弹体侵彻破碎陶瓷锥的影响,基于半流体动力学Alekseevskii-Tate(A-T)模型建立了预测弹体超高速贯穿陶瓷/金属复合靶板残余速度的简化分析模型。通过与实验数据以及基于LS-DYNA有限元分析软件开展的钨合金长杆弹(初速1 800~2 600 m/s)贯穿Al₂O₃陶瓷/RHA钢复合靶板数值模拟结果对比,验证了简化分析模型、数值模型及其相应参数的正确性和适用性。进一步基于简化模型,在总厚度或总面密度一定的条件下,讨论了4种陶瓷面板(Al₂O₃、AlN、SiC、B₄C)和两种金属背板(RHA钢、铝)复合靶板的弹道性能。

     

分层数对Q235钢薄板抗侵彻性能的影响

利用轻气炮进行卵形头、平头以及半球形头杆弹正撞击等厚接触式叠层靶实验,得到这3种结构的初始速度-剩余速度曲线以及弹道极限,对回收靶体进行分析,研究分层数对叠层靶抗侵彻性能和失效模式的影响。结果表明：对于延性金属薄板,分层结构降低靶体的弹道极限,单层板的抗侵彻性能高于叠层板的抗侵彻性能。对于平头弹和卵形头弹,弹道极限随分层数的增加而降低;对于半球形头弹,弹道极限随分层数的增加先降低后升高;分层数对弹道极限的影响随弹体初始撞击速度的增加而减小。     

贝雷砂岩射孔孔道流动效应正交计算分析

对射孔孔道流动效应进行了量纲分析,建立了轴向和径向流量与影响流量因素间的工程表达式。综合考虑影响流动效应的主要因素和取值范围,设计了数值模拟计算工况的正交计算方案,并利用ANSYS/FLOTRAN流体程序进行了带损伤区贝雷砂岩流量数值模拟研究,获得了各个计算方案的径向流量和轴向流量,用以确定出流量公式的系数。最终确定的流量公式表明,各要素对流量影响的重要顺序依次为固有渗透率、损害区厚度、孔深、渗透率剩余百分数和孔径。     

复合材料层板的抗贯穿机理与模拟研究

为了研究树脂基纤维增强复合材料层板的抗侵彻贯穿机理和动态力学行为与抗侵彻毁伤的关系,通过球形破片模拟弹贯穿实验表征了复合材料层板抗高速侵彻的吸能特性;通过高速摄影技术分析了层板贯穿过程的瞬态变形失效特点;采用CT扫描成像及SEM 电镜分析等手段研究了复合材料层板的抗贯穿破坏耗能模式。实验结果显示,高速冲击下层板抗贯穿吸能与入射速度成正比;高速侵彻过程是复合材料层板高应变率变形的动态过程,高应变率动态力学行为对复合层板抗贯穿吸能特性影响显著;冲击波在层板中的传播特性决定了不同破坏模式阶段的划分以及损伤区域的范围。基于复合层板高速贯穿下的动力学瞬态分析,建立了复合层板抗高速侵彻吸能的两阶段动态破坏模型,模型计算值与实验值符合良好。研究结果表明,应变率效应与惯性效应在复合材料层板抗侵彻性能分析中是不可忽视的2个关键因素。     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象,将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性,设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则,并用模量折减法处理单元开裂,从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析,初步验证了模型的有效性。     

细长薄壁弹体的屈曲和靶体等效分析

利用金属靶开展动能深侵彻弹的穿甲屈曲实验研究。实验观察到长/短型弹体动塑性屈曲破坏分别表现为轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型2种基本模式。不同的屈曲破坏模式与弹体几何、撞击初条件以及靶材等密切相关。区别于刚性尖头弹穿甲金属靶的韧性隧道开孔,尖头弹因屈曲破坏易变形为钝头形,导致弹体穿透靶板表现为挤凿穿甲。利用薄壁中空柱壳的弹性欧拉屈曲分析和弹体塑性屈服的极限分析给出弹体动塑性屈曲的临界条件。同时给出屈曲实验中混凝土靶和金属靶的等效条件。