步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟

为研究步枪弹撞击带软硬复合防护明胶靶标的作用过程和作用机理,采用显式有限元方法对7.62 mm步枪弹侵彻复合靶标过程进行数值模拟,分析侵彻过程中的典型现象及明胶靶标动态响应。数值计算结果表明：陶瓷锥的形成是由压缩应力波和拉伸应力波共同作用的结果;弹头加速度变化存在明显的分段与拐点,侵彻陶瓷面板过程中,加速度达到最大,侵彻聚乙烯（PE）背板层时,出现第二个拐点;由于防护层存在多个界面,撞击过程中PE背板界面存在速度多峰现象：当弹头运动加速度达到最大时,PE背板界面出现第一个速度峰,明胶界面出现第一个压力峰;当弹头开始侵彻PE背板时,背板层出现第二个速度峰;在步枪弹撞击过程中明胶内压力波传递呈现球形波基本形态,压力峰值随距离增加呈指数衰减。     

步枪弹侵彻明胶靶标的数值模拟

为更好揭示步枪弹与明胶的相互作用过程及作用机理,采用显式有限元方法对侵彻过程进行了数值模拟,通过与实验数据对比验证了模型的有效性和准确性。对弹头在明胶中的受力、明胶中等效应力分布及入射攻角对明胶创伤效应的影响进行了分析。数值结果表明：在窄伤道段明胶阻力增长缓慢,随着弹头的迅速翻滚明胶阻力急剧增长,并导致弹头破碎;明胶中的最大等效应力层始终分布在瞬时空腔的内壁,随着空腔膨胀其影响区域不断扩大,并导致空腔内壁的明胶单元破坏失效;攻角的微小变化对弹头在明胶中的翻滚位置及速度衰减规律影响较大,但随着攻角的增加这种影响逐渐减弱。     

小口径步枪弹侵彻威力直观图

95式步枪发射DBP87式5.8mm步枪弹100m麾离侵彻430mm肥皂块留下的空腔。弹头初速为930m/s     

长杆弹超高速侵彻砂浆靶临界速度的实验和计算

为了研究高强度合金钢长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,开展了30CrMnSiNi2A长杆弹以初速度1 381~1 879 m/s侵彻半无限砂浆混凝土靶的实验。实验结果表明：靶板的开坑直径、开坑深度、开坑体积以及弹道孔径与侵彻速度呈近似线性关系;当侵彻速度小于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而增大;当侵彻速度大于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而减小;当速度为1 724 m/s时,侵彻深度达到最大。靶板的剖分结果显示:当长杆弹超高速侵彻靶板时,弹体着靶时微小的倾角会导致侵彻弹道发生严重的偏转,呈现为“J”字形弹道。基于实验结果,在考虑长杆弹头部变形的基础上利用修正的A-T模型,得到了长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,分析了不同的弹靶参数对临界速度的影响,并结合实验数据,验证了理论模型的可靠性。     

步枪弹高速侵彻弹道明胶数值分析

步枪弹侵彻软组织目标过程中的翻滚和破碎效应对终点杀伤效果具有显著影响。为了揭示步枪弹侵彻明胶的运动规律和断裂机制,采用非线性动力学分析软件ANSYS-LSDYNA对步枪弹侵彻明胶的作用过程进行了数值模拟。通过与试验回收弹头比较可知,数值方法可真实再现弹头在明胶中的变形断裂行为。研究结果表明,基于刚体假设的弹头运动模型无法准确模拟发生变形的断裂弹头在明胶中的运动规律,基于节点分离的拉格朗日算法可准确模拟弹头断裂过程中铅芯的破碎飞散。弹头的断裂过程是损伤自变形后由被甲受拉伸一侧外表面向内表面和受压一侧传播的过程,辊沟和膛线划痕对弹头的断裂过程具有重要影响,初始裂痕出现在辊沟处,与被甲母线成一角度,并沿辊沟和膛线划痕传播扩展。     

步枪弹侵彻明胶的表面受力模型

为研究步枪弹侵彻明胶的平移、翻滚规律,提出了弹头侵彻过程中的表面受力模型即迎风面上的每个微元受到动态压力和材料阻力的作用。通过对弹头表面压力的数值积分,可得到弹头所受的合力和合力矩。在此基础上利用4阶龙格-库塔法求解由刚体质心运动方程和欧拉运动方程组成的弹头运动方程,得到了弹头侵彻明胶时位移、姿态随时间的变化规律。以7.62 mm步枪弹侵彻明胶的实验对表面受力模型进行了间接验证,弹头质心位移和平面投影角度的实验数据和理论预测值误差较小,表明该模型可用于预测刚性步枪弹的表面受力,从而适用于预测弹头侵彻明胶的平移、翻滚规律。     

低侵彻陶瓷枪弹的侵彻性能研究

为研究低侵彻陶瓷枪弹在机舱中的侵切性能,进行了低侵彻陶瓷枪弹对飞机舱壁、飞机舷窗和明胶靶的侵彻试验研究。建立低侵彻陶瓷枪弹侵彻靶板的力学模型,对低侵彻陶瓷枪弹弹头破碎进行了理论分析。通过低侵彻陶瓷枪弹侵彻铝靶的数值模拟验证弹头破碎理论分析的正确性。研究结果表明,低侵彻陶瓷枪弹侵彻结束后,弹头全部破碎,未穿透飞机舱壁和舷窗,对明胶靶的侵彻深度为210~260 mm,满足低侵彻陶瓷枪弹在机舱中的使用要求。陶瓷壳体最大应力始终在所受载荷边缘区域,是侵彻过程中陶瓷壳体最容易破坏的区域。     

典型小口径枪弹侵彻明胶压力波特性实验研究

为了研究典型小口径枪弹侵彻明胶时所产生压力波的传播特性,实验采用4℃,10%浓度配比,尺寸为30cm×30cm×30cm的明胶靶标。利用高速摄影和压力测试系统同步测试,获得了某5.56mm步枪弹在100m射距下侵彻明胶块的高速摄影图像和压力波曲线,揭示了小口径枪弹侵彻明胶过程中所产生的压力变化特性,结果表明,弹丸在高速侵彻明胶过程中失稳、能量瞬间转换产生了对人体致伤起重要作用的峰值压力和瞬时空腔,其后伴随着空腔的膨胀和收缩产生了脉动压力峰值。     

刚性尖头弹侵彻有限厚度金属靶板分析模型

研究了刚性尖头弹以弹速或亚弹速垂直撞击有限厚度塑性金属靶板的侵彻问题。考虑靶板背表面自由边界的影响,建立并求解不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀模型,得到弹头表面径向压力的解析解。引入临界侵彻深度和临界撞击速度概念,提出一个两阶段侵彻模型。基于有限球形空腔膨胀模型,得到临界侵彻深度的解析解和弹体运动微分方程;用Runge- Kutta法求解微分方程,得到侵彻深度和临界撞击速度的数值解。与装甲钢靶板弹道试验数据比较,表明本文理论模型与试验吻合很好。     

中等厚度金属靶板的三阶段贯穿模型

研究了刚性尖头弹侵彻贯穿中等厚度金属靶板问题。考虑靶板背表面开裂的影响,在有限厚度金属靶板两阶段侵彻模型的基础上,引入开裂侵彻深度概念,提出一个三阶段侵彻贯穿模型。基于不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀理论和等效拉伸应变断裂准则,得到弹头表面径向压力、开裂侵彻深度的解析解和弹头侵彻阻力的数值解,由Runge-Kutta法求解弹体运动微分方程,得到极限速度、剩余速度的数值解。与小截锥刚性锥头弹侵彻铝合金靶板弹道试验数据比较,本文模型计算结果与试验吻合很好。计算表明,弹头长度和靶板厚度对侵彻阻力的影响十分明显。     

连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响

连结状况对陶瓷复合靶板抗弹性能的影响,从应力波角度分析.并在试验基础上,采用LS-DYNA程序数字模拟7.62mm穿甲子弹不同工况下侵彻陶瓷复合装甲,分析不同粘结剂和不同粘结层厚度的影响.背板波阻抗大于或接近陶瓷面板,有利于提高复合靶板的整体抗弹性能.波阻抗较大的材料,有利于压缩波的透射.合适的粘结层厚度能使陶瓷保持完整性,延缓陶瓷锥的形成,并扩大背板塑性变形区.     

低速陶瓷球侵彻明胶研究

为研究低速陶瓷球侵彻明胶运动规律,通过试验和数值模拟方法,测量了不同直径陶瓷球的冲击速度和侵彻明胶深度; 采用能量守恒模型,计算球形破片侵彻明胶深度; 结合试验结果与理论结果进行验证计算。研究发现:对于球形破片侵彻明胶,利用该文的理论分析模型计算出的侵彻深度与试验结果吻合较好; 基于理论模型的可靠性,发现低速陶瓷球侵彻明胶,其直径是影响侵彻深度的主要因素; 将陶瓷球、钨球、钢球的侵彻能力进行对比,综合考虑侵彻深度和最大空腔半径,结果表明陶瓷球更适合作为毁伤元。     

半穿甲弹侵彻过程中壳体强度的数值分析

采用显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA3D,对半穿甲子弹正侵彻中厚钢板进行了数值仿真.通过对子弹侵彻能力和壳体结构强度的计算分析,得出了子弹的适宜速度范围.计算结果对于子弹结构优化设计具有一定的参考价值.     

M855A1步枪弹侵彻钢靶板数值仿真

M855A1是一种采用新型穿甲弹结构的小口径步枪弹,较M855步枪弹主要优化了硬目标穿甲与软目标杀伤性能。为研究其穿甲性能,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同射程下M855A1步枪弹侵彻结构钢靶板、装甲钢靶板的过程进行数值仿真,分析穿甲过程中弹头与钢靶板的变形和损伤演化,并对射程与极限穿透厚度的关系进行函数拟合,拟合精度高于99%。结果表明,M855A1步枪弹能基本满足现代小口径步枪弹对穿甲性能的需求,其结构在低速、薄靶条件下对弹体动能、质量的利用效率较高。     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗弹机理,采用弹道冲击试验研究了高速破片冲击下轻型陶瓷/金属复合装甲的冲击响应,对弹体、陶瓷面板及金属背板的破坏现象进行了物理描述和唯象分析,指出了陶瓷面板和金属背板的破坏模式,分析了陶瓷/金属复合装甲的弹道吸能机理及抗弹性能。结果表明,锥形碎裂是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有：径向、环向及与初始表面法线方向约65°夹角向外扩展的锥形裂纹;此外还会形成与背表面法线间的夹角约为65°的倒锥形断裂面。背板的变形范围、破坏程度及破坏模式均与船用钢靶板有较大区别,当弹速低于靶板弹道极限时,背板变形模式为隆起-碟型变形,当弹速大于靶板弹道极限时,随着陶瓷面板相对厚度的增加,金属背板的破坏失效模式有：剪切冲塞失效、碟型变形-剪切-花瓣型失效、碟型变形-花瓣型失效;弹体动能主要耗散在弹体和背板的破坏与变形;弹道极限速度附近,弹体和金属背板破坏吸能量会由于陶瓷面板的相对厚度不同而不同,但他们的总吸能量可占弹体初始冲击动能的90%以上,而陶瓷面板碎裂及反冲击方向喷射的动能小于弹体初始冲击动能的10%。     

热身管下小口径枪弹弹头壳材料对其膛内运动的影响规律

针对95-1式自动步枪多发射击过程中枪管温度过高、射弹散布变大的现象,以5.8 mm枪弹为研究对象,开展热身管下不同弹头壳材料对其膛内运动的影响规律研究,并通过射击试验进行验证。基于传热学基本原理,借助有限元手段建立多物理场耦合下弹头膛内运动模型。研究结果表明：常温时铜弹头壳弹头膛内摆角小于覆铜钢弹头壳弹头,增幅随身管温度升高明显;相同膛压条件下,铜弹头壳弹头出膛口速度低于覆铜钢弹头壳弹头,在射击30发和60发后,铜弹头壳弹头出膛口速度随着身管温度升高分别减小2.2 m/s、1.8 m/s,膛内运动时间增加2.6 μs、4.7 μs, 覆铜钢弹头壳弹头出膛口速度分别降低0.7 m/s和增大1.4 m/s,膛内运动时间减小1.7 μs、 0.8 μs;所得研究成果可为轻武器弹药设计提供理论参考。     

基于人体解剖结构的单兵防护后损伤评估

为评估人体靶标在穿戴防弹衣情况下,枪弹钝击或穿透防弹衣时对人体造成的损伤严重度,基于真实人体切片数据构建了穿戴防弹衣的数字化人体模型,采用高速摄影机拍摄枪弹侵彻有防护明胶靶标过程,获得明胶靶标内部瞬时空腔的演化数据,并建立瞬时空腔简化模型。采用简明损伤定级标准（AIS）评价单个组织器官的损伤情况,分别基于最大简明损伤评分（MAIS）和新损伤严重度评分（NISS）损伤评估算法给出钝击和穿透防弹衣情况下人体相应部位的损伤评分结果,并进行死亡率预测。开发了人体易损性评估软件,获得了某枪弹以不同速度钝击和穿透穿防弹衣人体时,对人体造成的损伤严重度评分值。研究结果表明：当某枪弹以速度638 m/s射击穿防弹衣人体胸部时产生钝击损伤,人体损伤评分结果为MAIS=3、NISS=27,死亡率预测结果为12.88%;当某枪弹以速度714 m/s 射击穿防弹衣人体胸部时,枪弹穿透防弹衣直接侵彻人体组织,人体损伤评分结果为MAIS=5、 NISS=75,死亡率预测结果为97%。