EFP侵彻钢靶板过程的光滑粒子法数值模拟研究

针对爆炸成形弹丸（EFP）的成型及侵彻钢结构靶板的问题运用无网格数值方法 SPH法进行了数值模拟研究。计算中采用完全变光滑长度SPH方法解决模拟爆炸过程中密度等物理参量变化梯度剧烈的问题,利用Ott-Schnetter提出的修正SPH方法处理在求解多介质大密度差问题时遇到的数值不稳定性问题,运用含损伤的Johnson-Cook本构模型处理钢板在冲击载荷下的变形与损伤问题;结果分析了弹丸头部特定节点处的速度变化历程,同时分析了不同药罩厚度对弹丸头部速度及对靶板侵彻过程的影响及不同尺寸的靶板在弹丸侵彻作用下的破坏形式,结果符合弹丸侵彻物理规律,表明该方法适合模拟爆炸与冲击等大变形破坏损伤问题。     

多角度高速侵彻金属靶的有限元模拟和实验研究

为研究轻装甲车辆对高速弹丸的侵彻性能,建立尖头弹多角度高速撞击金属靶板的侵彻有限元模型,对弹靶侵彻过程和靶板破坏形式进行分析计算,搭建高速运动分析实验系统,对弹靶侵彻模型进行验证。研究表明:模型结果与实验数据二者吻合较好;有限元模型和实验输出的剩余速度误差不大于5%,模拟的破坏形貌与实验结果较吻合;在一定入射角范围内,弹丸入射角度越大,厚度越大,靶板吸收能量越多。     

刚性弹体侵彻加筋靶板的力学模型

采用动量守恒定理研究了截卵型刚性弹体对加筋靶板的侵彻贯穿问题.提出了刚性弹体侵彻贯穿加筋靶板的力学模型,并用来预测弹体贯穿加筋靶板后的剩余速度.在此基础上,利用该模型分析了加筋靶板加强筋的宽度和高度以及弹体的初始速度对弹体剩余速度的影响.模型预测结果与实验及数值结果相比较,三者具有较好的一致性,表明该模型是合理的.     

射弹引起的鱼雷自导系统毁伤仿真

鱼雷自导系统毁伤评估模型是研究鱼雷与反鱼雷对抗中的关键技术,通过三维非线性动力学仿真软件ANSYS/LS-DYNA对射弹侵彻毁伤鱼雷自导系统进行数值模拟,分析研究间隔靶的弹道极限速度与侵彻靶板层数、射弹与靶版的变形规律、速度位移规律和自导系统的毁伤概率等之间的关系.     

尖卵形弹丸侵彻加筋薄靶剩余速度的理论分析

基于尖卵形弹丸侵彻十字形加筋薄靶的花瓣型破坏模式,研究弹丸动能损失主要用于花瓣弯曲应变能、裂纹扩展应变能和加强筋弯曲应变能。利用能量守恒原理得到了弹丸穿甲后的剩余速度计算公式,并对不同初始速度的弹丸侵彻不同厚度薄板的过程进行了数值模拟,模拟结果与理论计算结果基本一致。结果表明,所得到的剩余速度计算公式具有一定的有效性。     

超空泡射弹对水雷侵彻的数值模拟

以某型水雷为研究对象,通过结构及功能分析、毁伤级别的确定以及构建水雷功能毁伤树,建立了水雷目标易损性模型;分析了超空泡射弹水下侵彻水雷目标的一般过程,建立了水雷等效靶模型;采用AUTODYN完成了水下超空泡射弹对水雷侵彻毁伤过程的数值仿真.仿真结果表明,钨芯射弹在相应临界速度下能够穿透水雷壳体并破坏引信舱内部构件,造成水雷失效.     

混凝土靶中侵彻深度的相似性研究

引入弹头性能参数,采用量纲分析方法,对射弹侵彻混凝土靶的深度进行了分析,得到了无量纲侵彻深度与无量纲侵彻初始速度基本成线性的关系.另一方面,利用轻气炮对素混凝土靶和钢纤维混凝土靶进行了侵彻试验,测量了射弹的击靶速度和侵彻深度.试验结果表明,不同弹头形状射弹侵彻素混凝土靶和钢纤维混凝土靶的无量纲侵彻深度与无量纲速度近似成线性关系.     

钢筋混凝土靶厚度影响PELE侵彻效果的数值分析

为研究钢筋混凝土靶厚度对横向效应弹(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)侵彻效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA3D软件,对PELE侵彻破坏不同厚度的钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)靶进行了数值计算。计算结果表明:利用质量和结构都相同的PELE以800 m·s-1的速度垂直撞击混凝土靶板,PELE可最大穿透80 cm厚的靶板,在该范围内,靶板由薄变厚时,弹体破碎愈加严重,弹体剩余轴向速度逐渐降低;对靶的侵彻随靶厚的增加,靶破坏效应先增强,然后减弱;当靶厚超过80 cm时,弹体的动能全部消耗于侵彻过程中。为验证仿真结果,进行了实弹实验,实验结果也表明:对靶的侵彻随靶厚的增加,破坏效应先增强,然后减弱,35 cm厚的靶板破坏最严重;验证了模拟结果的正确性和可靠性。     

超高速钨合金长杆弹对混凝土侵彻及损伤破坏的数值分析

采用二维拉格朗日弹塑性流体力学计算程序LTZ-2D,分析了超高速钨合金长杆弹侵彻混凝土靶板的过程以及靶板的损伤破坏情况.计算结果表明,与低速侵彻规律相同,截卵形弹头以及较大的长径比更有利于弹体对靶板的侵彻,但对混凝土靶板造成的损伤相对较小;由于弹体失效的影响,存在一个临界速度,当弹体的着靶速度高于临界速度时,弹体对靶板的侵彻能力随着撞击速度的提高而降低.     

空心侵彻弹侵彻金属靶板的细观损伤行为研究

本文研究了三种钢制截卵形空心侵彻弹侵彻45#钢板的细观损伤机制.靶道试验后对侵彻弹的细观观察结果表明:当侵彻弹以较低速度撞击靶板并保持弹体结构的完整时(发生小变形),其主要细观损伤控制机制为微孔洞机制;当侵彻弹以较高速度撞击靶板,在弹体头部或头部与弹身交接处发生大变形或断裂破坏时,绝热剪切损伤机制为其细观损伤机制.材料的绝热剪切敏感性是侵彻弹毁伤威力和变形破坏的主要细观控制参量.透射电镜(TEM)观察发现绝热剪切带为转变带,带内发生了动态再结晶转变.     

复合结构活性破片对双层靶标毁伤效应

研究可承受炸药爆炸加载的活性破片毁伤威力具有实际应用意义。通过14.5 mm口径弹道枪加载试验分析铝粉与聚四氟乙烯复合结构活性破片撞击不同组合形式下双层靶标毁伤效应,并采取多元回归分析方法建立活性破片对前层板的穿孔直径和后层板的扩孔面积经验公式。结果表明：在800~1 400 m/s速度范围内,活性破片撞击前层钢板或铝板形成的穿孔直径随着速度、靶厚增大而增加,而撞击碳纤维复合材料板形成的穿孔直径与速度、靶厚无关,且钢板、铝板、碳纤维复合材料板穿孔直径分别是破片直径的1.25~1.62倍、1.08~1.42倍、1.13倍;活性破片对后层铝板或碳纤维复合材料板呈现扩孔撕裂毁伤模式,且前层板强度越大,撞击速度越高,则扩孔毁伤面积越大,同时对碳纤维复合材料板毁伤应着重考虑背面碳纤维与树脂基体剥离分层模式;建立的毁伤效应经验公式准确、可靠,经试验验证其相对误差控制在5%以内,能够为活性破片对双层靶标毁伤评估提供参考。     

相同强塑积薄钢板抗弹性能和破坏形式的研究

对抗拉强度在1 000～2 300 MPa范围内的3种相同强塑积薄钢板进行抗弹性能试验,观察弹击后弹坑的宏观形貌和金属流线变化,测量弹坑周边硬度,结合钢板的强度和塑性讨论钢板破坏形式对抗弹性能的影响。试验结果表明:由于塑性变形可以有效吸收弹丸的动能,钢板以塑性变形较大的盘形穿孔破坏时,相同强塑积钢板抗弹性能差异较小,强度和塑性共同影响钢板的抗弹性能;而钢板以塑性变形较小的冲塞破坏时,塑性的影响弱化,相同强塑积钢板中较高强度钢板的抗弹性能明显高于较低强度钢板。2 300 MPa钢板在弹丸未穿透时发生破碎,这与其塑性较低有直接的关系。     

爆炸成型弹丸侵彻钢靶的后效破片云实验研究

为研究爆炸成型弹丸（EFP）穿透钢靶后的后效威力,设计了长杆形EFP装置及对45号钢 靶板的侵彻实验。采用X光摄影方法观测EFP穿过靶板后的破片云形态及飞散特性;通过测量靶板后一定距离处验证板上的穿孔,得到靶板后破片数量。从拍摄的脉冲X光照片可以看出：EFP穿透钢靶后形成的破片云形状是截椭圆形,飞散角约50°. 从验证板上的穿孔可以看出：靶后破片可穿透10 mm铝板,破片穿孔分布相对随机,穿孔直径近似呈正态分布特征,破片飞散角与X光观测结果一致;随着靶板厚度增大,破片飞散角均为50°,但靶后破片数量呈先增大、后减小的趋势,即存在靶后破片数量最大化的靶板厚度。从回收到的破片可以看出：靶后碎片由EFP和钢靶碎片共同构成。     

柱形93钨弹体超高速撞击薄钢板穿孔及破片群扩展特征

为进一步研究柱形弹体超高速撞击靶板的破片群扩展、弹体侵蚀等问题,开展柱形93钨 弹体超高速撞击薄钢板实验研究。通过量纲分析方法给出柱形弹体穿靶的穿孔直径经验公式;利用高速摄像技术获得靶后破片群运动图像,分析破片群扩展规律以及弹体的侵蚀规律;基于微观组织分析,探索超高速撞击中弹靶材料的熔化问题。结果表明：通过对实验数据的拟合,认为在弹靶材料不变的情况下,靶板穿孔直径、靶后破片群轴向扩展最大速度、横向扩展最大速度近似和弹体直径、靶板厚度、撞击速度相关,而对于弹体侵蚀长度,除上述参数外还与弹体长径比相关;在柱形弹体超高速撞击靶板问题中,靶板背表面产生层裂并在破片群前部形成速度大于剩余弹体速度的“尖端”,可近似由靶板厚度小于弹体直径的0.72倍来确定;当柱形93钨弹体以2~3 km/s速度撞击靶板时,靶后破片群尚未发生大范围熔化,但当破片群、剩余弹体撞击第2层靶板时,受到二次加载作用,撞击区附近将发生大范围的材料熔化。     

离散元模拟钢筋混凝土靶板贯穿响应研究

提出了圆截面梁单元高斯积分点分布方案以及一种钢筋-基体接触作用模型,基于LDPM离散单元建立了钢筋混凝土侵彻数值计算模型。模拟刚性弹贯穿48 MPa和140 MPa压缩强度的钢筋混凝土靶板,通过对比弹体剩余速度和靶板破坏形态,验证了模型对于钢筋混凝土贯穿问题的适用性。仿真结果表明,140 MPa强度混凝土靶板内钢筋对于弹体作用更强,对于出靶剩余速度影响更大。对比不同弹着点和钢筋尺寸的贯穿仿真,弹着点在一根钢筋位置和两根钢筋交叉处,出靶速度分别降低了约12 m/s和45 m/s;弹着点位置在钢筋交叉处时,通过增大钢筋尺寸提高配筋率能够明显降低贯穿剩余速度。     

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。     

破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究

采用系列弹道实验,研究了双层钢/铝爆炸复合靶在不同形状破片侵彻作用下的毁伤机理和抗侵彻性能。实验采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形破片和边长4.2 mm的钢质立方体破片。基于实验结果,分析了不同形状破片侵彻下靶板的毁伤机理和破坏模式,讨论了破片形状、动能及靶板厚度分布等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形破片和立方体破片的侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;复合靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能;在球形破片的侵彻作用下,当靶板厚度一定时,复合靶板的抗侵彻性能随钢面板与铝背板厚度比的增大而提高,对于立方体破片则相反。     

全封闭舱内爆炸载荷作用下薄板变形研究

在内爆炸载荷作用下,舱室内部长时程准静态压力载荷会对结构极限变形产生重要影响,使得其结构响应与敞开环境空爆下的情况有较大区别。计算分析了方形薄板在内爆炸载荷作用下动态响应,基于薄板在冲击载荷作用下的变形规律,提出了用于评估结构在内爆炸载荷作用下极限变形的无量纲损伤数。该无量纲损伤数考虑了舱室体积、炸药能量、结构几何尺寸及屈服强度等因素对内爆炸载荷作用下结构变形响应特性的影响。薄板变形的分析结果表明,结构极限变形与板厚比和无量纲损伤数之间存在明显线性关系,可通过拟合获得舱内爆炸载荷作用下结构极限变形的快速预报经验公式。提出的无量纲损伤数考虑了板大变形响应过程中的中面膜力效应和板厚影响,更加适合于分析薄板在内爆炸载荷作用下的塑性大挠度变形值。     

分层结构PELE侵彻多层间隔靶横向效应实验研究

为了研究不同弹丸结构和壳体材料对PELE横向效应的影响,通过实验方法,对比研究了常规结构、轴向分层结构和径向分层结构PELE(壳体材料均为钨合金)对多层间隔金属靶的毁伤效果。研究结果表明:轴向和径向分层结构PELE产生的破片数量较常规结构PELE分别提高了5.3%和84.2%,且其对第2层靶板的开孔尺寸分别提升了23%和16%,但是它们无法对后续靶板继续形成高效毁伤; 故此,将分层结构PELE的壳体材料换成钨丝/锆基非晶复合材料,做进一步实验研究。实验结果发现:钨丝/锆基非晶复合材料的分层结构PELE对第2层靶板的开孔尺寸下降约10%,但是,对第3层、第4层靶板的破坏尺寸提升分别约90%～140%和25%～30%。结果表明:钨丝/锆基非晶复合材料与分层结构PELE相结合,可提升对多层间隔靶板的高效毁伤。     

破片对空间轨道目标的易损性分析及毁伤模型研究

研究了目前的空间轨道目标,与飞机相比,对空间轨道目标在工作环境、典型结构、飞行原理、毁伤机理,目标的防护特性、隐蔽性机动性上进行了易损特性分析,提出了单枚破片对双层靶板的破坏类型,包括局部穿孔破坏和撕裂破坏类型,提出了其对应的毁伤模型,进一步得到了单枚破片碰撞双层板结构的毁伤概率.该文的研究对加强我国的空间防御能力,具有一定的参考价值和重要的现实意义.