弹丸超高速撞击航天器典型防护结构数值仿真

选用铝和火山岩两种材料的弹丸,对航天器典型Whipple防护结构进行超高速撞击数值仿真计算.结果表明在弹丸质量和速度相同的情况下,铝弹丸撞击航天器防护结构的损伤效应要远远大于火山岩弹丸撞击的损伤,这是由弹丸材料特性决定的.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

研究材料动态卸载的一种实验方法

在SHPB实验数据分析的基础上,提出了用柱锥形弹丸代替纯柱形弹丸研究材料的动态卸载。用所提出的方法对LF6铝材的动态加、卸载响应进行了实验研究,结果表明:柱锥形弹丸可以有效地延长入射脉冲的卸载段,可用来研究材料动态卸载行为。     

任意头形弹丸侵彻地质材料的理论分析模型

为了推广Forrestal侵彻方程的应用范围 ,基于球面空腔膨胀理论 ,用分析方法推导出弹丸垂直侵彻半无限厚地质材料的侵彻方程 ,建立了任意头形刚性弹丸侵彻地质材料的理论分析模型。试验数据和数值模拟结果表明 ,该模型能对地质材料侵彻过程中的弹丸速度、加速度和最终侵深等参数作出较为准确的预估。     

靶板在弹丸低速冲击作用下的弹性恢复规律

为了对不同靶板被尖头弹丸低速侵彻条件下的弹性恢复机理进行研究,同时考虑弹丸低速冲击靶板过程中靶板整体塑性变形及弹性变形恢复,更好地反映弹丸对靶板低速侵彻过程中的变形及材料失效问题,使用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA计算分析了弹丸以相同速度冲击不同边长、厚度靶板时,弹丸反弹速度以及靶板回弹速度随着靶板厚度...     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

弹丸入水特性的SPH计算模拟

应用SPH方法研究弹丸入水过程中的动力学特征。利用拉格朗日形式的N-S方程自编SPH程序,建立弹丸入水的计算模型,赋予相应的材料参数及状态方程,研究弹丸外形、入水速度和角度等因素对入水过程的影响。模拟结果表明:空化泡的形态及发展规律主要由弹丸的运动姿态决定;弹道越稳定,阻力因数就越小,弹丸的存速就越大。SPH方法具有较强的自适应性,适用于研究弹丸入水的流固耦合问题。     

球形弹丸超高速正撞击薄板破碎状态实验研究

利用闪光X射线照相系统拍摄了直径6.35 mm的铝球以2.23～5.26 km/s的速度正撞击薄铝板的过程并对该过程进行了分析,研究了弹丸从塑性变形到完全破碎的发展过程。给出了球形弹丸内部应力波传播的定性描述,提出弹丸形态变化包括3个阶段。在塑性变形阶段,弹丸变形随撞击速度和板厚的增大而增大;弹丸主体部分发生临界破碎时的撞击速度随薄板厚度增大而减小,当板厚超过一定值时,该速度基本相同,不受板厚影响;在完全破碎阶段,随撞击速度的增加,弹丸主体部分材料的径向速度增大,碎片尺寸减小,数量增多。     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。     

飞机加强蒙皮在12.7 mm弹丸撞击下的变形与破坏

为了研究飞机蒙皮在12.7 mm标准机枪弹丸射击下的损伤,对3 mm厚LY-12 CZ材料的单蒙皮及其加筋板进行了模拟弹击试验。通过试验研究,建立了一个由高速气炮、弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置组成的系统并被有效地用于弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3 mm厚蒙皮用12.7 mm直径弹丸进行速度约60~300 m/s的正撞击试验,结果表明,靶板从微小损伤到完全击穿;弹击造成的变形区有效直径随弹丸速度的增大呈幂指数趋势下降;弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度的增加呈直线下降;靶板上的应变随弹丸速度的增加逐渐降低。弹丸剩余速度随弹丸撞击速度的增加呈直线上升。最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟,模拟结果与弹击试验结果较吻合。     

爆炸成型弹丸药型罩研究

为了提高反装甲武器的功效,在装药条件、几何尺寸相同的条件下,分别对以钨铜粉末冶金、紫铜和铜铝复合金属三种不同材料为药型罩的爆炸成型弹丸进行了破甲实验,得出以铜铝复合金属材料作为药型罩、且罩顶开通孔的爆炸成型弹丸的破甲能力可比以紫铜为药形罩的弹丸提高22%,并且形成的破片形状规则。     

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明：低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主;高速冲击下,破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射,并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大,而高速冲击下则相反。高速冲击下,点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段,弹丸经历了急-缓-急3段减速过程,并对应2个加速度高峰,第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%;低速冲击过程中,弹丸仅有1次减速过程,加速度峰值随冲击速度的升高而增大,最终弹丸反弹。     

钢制弹丸冲击混凝土时绝热剪切局部化的数值计算

为描述弹丸材料冲击混凝土时的绝热剪切过程,根据冲击条件下绝热剪切局部化的一维分析结果,给出冲击混凝土弹丸材料的绝热剪切局部化模型并引入到数值分析中。为了既能描述混凝土的非线性变形及断裂特性又要保持分析过程中材料界面的清晰,混凝土划分成光滑粒子并使用无网格光滑粒子动力学算法,而弹体划分成有限元网格并使用有限元算法。结果显示,利用本文中给出的绝热剪切局部化模型计算得到的弹丸内绝热剪切局部化区域与实验中的破坏位置一致。     

基于Griffith强度理论的空腔膨胀模型与应用研究

根据混凝土材料受高速冲击时产生大量碎裂的特点,假设其粉碎(塑性)区介质服从Griffith 强度理论,发展了弹丸深侵彻混凝土靶的动态空腔膨胀模型,建立了弹丸深侵彻理论计算公 式. 对比表明：基于Griffith强度理论的球形动态空腔膨胀模型的计算结果与实验数据吻合 较好.     

复合弹体撞地的HELP计算方法初步计算

本文用改进的HELP二维计算程序,流体弹塑性力学模型,计算了复合弹体高速撞击岩体问题。给出了早期弹丸侵彻的几何图象,典型时刻轴向速度、压力、应力分布,以及早期弹体中出现的拉应力场。可供弹丸防护参考之用。所有结果都与单一弹体的结果进行了比较,以便估价被帽材料的防护效果。     

平面分布式火力毁伤元的实验研究

单个EFP在毁伤面积上存在一定的局限性.为扩大EFP毁伤威力和毁伤面积,本文研制了一种高初速的EFP战斗部,设计出一种含有46个EFP的平面分布式火力毁伤元.首先采用X光实验技术对弹丸进行X光拍摄,通过对X光照片的判读获取弹丸的外形尺寸和飞行速度,完成单个EFP战斗部的优化设计;然后在靶场对优化后的EFP战斗部进行侵彻实验,通过靶场回收得到弹丸的外形尺寸,采用测速靶得到弹丸的飞行速度,进一步验证所设计变壁厚药型罩形成高速弹丸的稳定性;最后将EFP战斗部按一倍战斗部直径的间距集成在一个由聚氨酯材料形成的平板上,采用高速摄影技术对起爆后弹丸的飞行轨迹进行拍摄,通过对高速摄影录像的判读,获取弹丸的飞行轨迹,由此判断弹丸在飞行过程中是否发生发散.实验结果表明,所设计的EFP弹丸飞行速度约为2200m/s并具有较好的密实性,火力毁伤元起爆后所形成的弹幕没有发生发散,且具有较好的飞行稳定性.本文设计的平面分布式火力毁伤元可根据对毁伤面积的要求调整布置,扩大了EFP的应用范围.     

配筋结构对弹丸侵彻过程影响的研究

本文提出的弹丸侵彻钢筋混凝土的解析模型,既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力.该解析模型的计算结果能反映弹丸与钢筋结构的作用过程,与测试数据符合较好.用该模型计算了配筋尺寸、网眼尺寸、配筋结构对侵彻深度、侵彻过程弹丸过载特性的影响.计算结果表明网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大;配筋直径增大,弹丸与钢筋的作用力显著增大,弹丸过载显著增大.     

柱形聚碳酸酯弹丸撞击刚性靶的实验研究

用Ф22×64mm的聚碳酸酯(PC)圆柱形弹丸,以172m/s~234m/s的速度撞击刚性靶板,用幅频为4.05×104幅/秒的高速数字相机记录了PC弹丸撞击时的变形过程,用PVDF测力薄膜测定了弹丸头部与刚性靶表面碰靶过程的应力-时间曲线,获得了可供建立分析模型参考的实验数据。采用Syomds-Cowper过应力模型对PC材料应变率敏感性进行了初步分析,根据经典的Taylor理论计算了PC的名义应变率和相应的动态流动应力,其结果与实验数据基本一致。     

Φ100/30mm口径二级轻气炮研制

Φ100/30mm口径二级轻气炮主要用于EFP(Explosively Formed Projectile爆炸成形弹丸)、PELE(Penetrator with Enhanced Lateral Efficiency横向效应增强型侵彻弹)、分段杆条等杀伤元件对各类目标毁伤机理及高应变率材料动态性能等领域的高速、超高速撞击实验研究。该气炮以Φ100mm单级压缩气炮作为首级驱动,加装可拆卸的Φ30mm发射管,实现了一、二级气炮的功能。本文主要介绍了该气炮的高压锥段、发射管、膜片及活塞等关键零部件的结构设计、调试及实验研究情况。目前该炮作为一级气炮已将20kg弹丸驱动到349m/s,1kg弹丸驱动到1157m/s;作为二级气炮已将100g弹丸驱动到3005m/s,400g弹丸驱动到1520m/s。     

高速弹丸撞击地质材料的有限元计算

给出高速弹丸撞击地质材料的有限元分析。利用ＦＥＣＰ２动力有限元程序计算了模拟回收弹体撞击水泥及花岗岩两种地质材料的动力响应，同时给出了弹、靶初始变形过程的图形。