分析金属装甲弹道极限的两阶段模型

基于大量弹道试验分析,考虑靶板背面自由边界的影响,提出一个分析刚性尖头弹垂直撞击中等厚度理想弹塑性材料靶板弹道极限的两阶段工程模型。由圆柱形空腔膨胀理论和功能原理导出第一阶段延性扩孔耗能表达式,按薄靶板最小穿透能量的简化分析模型计算第二阶段耗能,由两阶段总的耗能最小确定第一阶段的侵彻深度,从而得到最小穿透能量的解析解。经与金属装甲弹道试验比较,表明两阶段工程模型计算结果与试验吻合较好,比现有单一延性扩孔模型精度高。     

高速钝头弹侵彻中厚金属靶板的机理研究

根据侵彻过程中的不同受力状态,将高速钝头弹对中厚金属靶板的侵彻过程划分为简单压缩阶段、压缩剪切阶段和绝热剪切阶段,每个侵彻阶段都呈现出不同的吸能模式。基于三阶段侵彻机理,建立了钝头弹侵彻中厚金属靶板的弹道极限和剩余速度计算模型;利用侵彻模型计算了3.3g立方体和9.7g圆柱体侵彻4mm、6mm和10mm船用钢的剩余速度,计算值与试验值有较好的吻合。三阶段侵彻模型考虑了试验中出现的发热、发光等现象的吸能,并对金属靶板的抗弹能力和钝头弹的侵彻能力进行了预测,可以降低试验成本,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

刚性尖头弹侵彻圆柱形金属厚靶分析模型

考虑金属厚靶侧面自由边界的影响,研究了刚性尖头弹侵彻有限平面尺寸金属厚靶问题。基于有限柱形空腔膨胀理论和线性硬化材料模型,得到了空腔壁径向压力的解析式,建立了刚性尖头弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型。与试验和数值模拟比较表明,该文工程模型计算精度很好。基于所建立的工程模型,研究了靶板半径对侵彻深度和侵彻阻力的影响,结果表明:当靶板与弹丸半径比值小于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度有显著影响,不能按无限尺寸靶板计算;当靶板与弹丸半径比值大于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度影响较小,可近似按无限尺寸靶计算。     

Q235钢单层板对平头刚性弹抗穿甲特性研究

采用撞击实验和理论模型对单层金属板的抗侵彻性能进行了研究,分析了靶体厚度对抗侵彻性能的影响。通过对比撞击实验和理论模型计算结果,验证了理论模型和参数的有效性。结果表明,采用合适的理论模型能够有效地预测靶板在弹体撞击下的弹道极限。此外,分析了靶体在弹体撞击下的塑性变形总耗能,包括靶板局部变形和整体变形的耗能,同时考虑了靶体材料的应变率效应。在平头弹撞击厚靶的工况中,引入了一个修正函数对靶体厚度进行修正。     

高速钝头弹侵彻中厚高强聚乙烯纤维增强塑料层合板的机制

根据侵彻过程中的不同受力状态和耗能机制,结合高强聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合板抗高速侵彻特点,将高速钝头弹对中厚UFRP的侵彻过程分为压缩镦粗、剪切压缩和拉伸变形三个阶段。基于三阶段侵彻机制,利用能量守恒原理建立了钝头弹高速侵彻中厚UFRP的弹道极限和剩余速度计算模型。采用侵彻模型计算了相关文献弹道试验工况下弹体的剩余速度和弹道极限速度,计算值与文献试验值吻合较好。三阶段侵彻模型考虑了试验中出现的纤维熔断和弹体镦粗现象,能够对高速钝头弹侵彻中厚UFRP的剩余速度和弹道极限速度进行合理预测,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

有限柱形空腔膨胀理论及其应用

为研究有限平面尺寸金属厚靶侵彻问题,提出了有限柱形空腔膨胀理论.考虑侧面自由边界,将理想弹塑性材料的空腔膨胀过程分为弹塑性阶段和塑性阶段,得到了空腔壁径向压力的解析解.基于Tate磨蚀杆模型,应用有限柱形空腔膨胀理论计算靶的侵彻阻力,建立了长杆弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型.与现有文献试验比较表明,文中工程模型计算的侵彻深度与弹道试验结果吻合较好.     

平头弹正侵彻单层和多层钢靶的SPH模拟和解析分析

建立了平头弹正侵彻Weldox 460 E钢靶的SPH模型,通过实验数据对模型进行了验证。应用验证的SPH模型模拟了2~12 mm厚单层靶的侵彻过程,建立了弹道极限速度与靶板厚度关系的经验公式;开展了平头弹正侵彻多层靶的数值模拟,分析了靶板的层数、总厚度、厚度组合对其抗侵彻性能的影响。基于单层靶弹道极限速度的经验公式,得到了预测多层靶的弹道极限速度的解析模型。将解析模型的弹道极限速度计算结果与SPH的模拟结果进行了比较,结果表明两者比较接近,相对误差基本都在10%以内。     

含屈服段本构模型和断裂准则对Q355B钢靶板侵彻预报的影响

为校验考虑屈服阶段的本构模型和Lode相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径为5.95 mm的平头钢性弹侵彻4 mm厚Q355B钢靶板试验,获得了弹体贯穿靶板的断裂行为和弹道极限。并开展了平面应变和扭转试验,标定了Lode无关MJC断裂准则和Lode相关ASCE断裂准则参数。在ABAQUS软件中对打靶试验建立三维有限元模型,对靶板的断裂行为进行研究,验证了考虑屈服阶段MxJ-C-Q本构模型和ASCE断裂准则的有效性,并探讨了Lode参数对Q355B钢的变形和断裂的影响。结果表明,采用MJC断裂准则预报高估了断裂应变其弹道极限比试验值高约38.36%;而采用Lode相关ASCE断裂准则预报的弹道极限、剩余速度以及断裂行为,与试验结果吻合较好。     

7A04-T6高强铝合金板对平头杆弹抗侵彻行为的试验与数值模拟研究

为了解高强铝合金对动能杆的抗侵彻性能,在一级轻气炮上开展了直径5.98 mm的平头刚性弹侵彻6mm厚7A04-T6铝合金靶板的打靶试验,撞击速度范围为73.9~446.5 m/s。获得了弹体贯穿靶板后的剩余速度以及靶板的断裂行为,通过拟合初始-剩余速度数据得到了弹道极限。同时,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型对打靶试验进行了数值计算,7A04-T6的力学行为通过Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则描述。试验结果表明,7A04-T6高强铝合金靶板在平头弹撞击下发生剪切冲塞,塞块表面有明显裂纹产生,弹道极限为156.0 m/s,剪切冲塞可在撞击速度不低于约0.90倍弹道极限时形成。数值仿真发现,有限元计算可成功再现靶板的剪切冲塞及冲塞表面的断裂;预报的弹道极限为168.8 m/s,比试验结果高约9%;撞击速度不低于0.92倍弹道极限时靶板发生剪切冲塞破坏,与试验结果十分接近。     

钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的机理研究

为探讨高速钝头弹斜侵彻中厚背水金属靶板的机理,根据不同的受力状态及耗能机制,结合中厚背水靶板抗高速斜侵彻特点,通过厚度等效,将斜侵彻转化为相应的正侵彻。然后,将整个侵彻过程分为压缩镦粗、剪切压缩和剪切扰动三个阶段。基于三阶段侵彻机制,建立了钝头弹高速斜穿甲中厚背水金属靶板后的瞬时余速计算模型,并讨论了该计算模型的局限性。采用该模型计算了3.3 g立方体弹丸斜穿甲5 mm背水钢板后的瞬时余速,理论计算值与试验结果及相应的仿真计算值均吻合较好。由于该模型考虑了靶后水介质的动支撑作用及动能耗散等效应,在一定的适用范围内,能对钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速进行合理地预测,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

刚性弹侵彻有限直径金属厚靶的机理与模型研究

采用统一强度理论,考虑靶板中间主应力效应和靶体侧面自由边界的影响,得到线性硬化靶材在弹塑性阶段和塑性阶段的空腔壁径向应力的表达式,建立线性硬化靶材的统一侵彻模型,求出中低速(v₀≤1000 m/s)刚性弹体侵彻有限直径金属厚靶时侵彻阻力、侵彻深度计算公式,并利用Simpson算法对其进行求解,分析了包括强度准则差异在内的弹道终点效应的一系列影响因素。结果表明:该文计算方法可以更好地描述侵彻过程中弹靶的动态响应,还可以得到一系列基于不同强度准则的侵彻阻力和深度的解析解、对靶材在不同撞击速度下侵彻深度的区间范围进行有效预测;强度参数、弹体撞击速度、靶体半径和弹头形状对有限直径金属厚靶的抗侵彻性能均有较大的影响,其中强度参数值由1减小为0时,侵彻深度增加了22.45%;随着靶弹半径比的减小,侵彻深度不断增大,当靶弹半径比小于等于16时,侵彻深度增大的程度显著,此时靶体边界尺寸对侵彻性能的影响很大,不能继续按照半无限靶体进行计算。     

金属薄靶板冲塞破坏最小穿透能量分析

基于大量弹道极限试验分析和高应变率下材料的简化热塑性本构关系,提出一种计算塑性金属靶板在刚性平头弹亚弹速冲击下冲塞剪切耗能的简化模型,建立了刚性平头弹穿透靶板所需最小能量(最小穿透能量)的无量纲表达式,得到一个计算低碳钢靶板最小穿透能量的半理论半经验公式。介绍并分析讨论了现有金属靶板最小穿透能量经验公式,得到一些有意义的结论。经分析比较,表明本文公式适用性较广、精度较好。     

A new analytical model of normal penetration of projectiles into the light-weight ceramic–metal targets

In this paper based on Zaera and Sanchez-Galvez [4] model, a new analytical model has been presented for penetration of deformable projectiles into ceramic–metal targets. By considering erosion and flattening of projectile tip, the one-dimensional equation of motion has been established. The momentum equation has been employed to describe the fragmented ceramic conoid. Considering work hardening material behavior, energy conservation equation has also been used for modeling the deformation of back-up metallic plate. Semi-angle of ceramic conoid is modified based on Wilson and Hetherington [8] experiments. The ballistic limit and residual velocity of projectile predicted by new analytical model have a good agreement with the experimental results.     

Experimental study of perforation of multi-layered targets by hemispherical-nosed projectiles

In this paper, perforation of single and three layered metallic targets by hemispherical-nosed cylindrical projectiles are studied experimentally. The circular targets of Al 1100 have a diameter of 220 mm and the hemispherical-nosed projectiles are silver steel cylinders with a mass of 12.15 g which are hardened to 56RC. The single layer target is 3 mm thick and the thicknesses of layers of the three layered targets are 0.5, 1 and 1.5 mm. The multi-layered targets are tested both when the layers are in-contact and spaced (with air gaps). Tests are carried out using a one stage gas gun. The ballistic limit velocity is obtained and the effects of order of layers and the width of air gaps between them on the ballistic limit velocity are investigated. The results show that the single layer targets have greater ballistic limit velocities than multi-layered targets. Furthermore, the ballistic limit velocity of in-contact layered targets is greater than that of spaced layered targets.     

间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究

为了分析板间间隙大小对双层板失效模式以及抗侵彻性能的影响,本文利用轻气炮进行了卵形杆弹正撞击单层板和等厚双层板的实验研究,得到了各种结构靶体的初始-剩余速度曲线和弹道极限速度。实验表明,对于卵形弹,单层板的弹道极限高于双层板的弹道极限,包括接触式和间隙式。当总厚度一定时,多层板的弹道极限随分层数目的增加而减小。此外,间隙大小对间隙式双层板的抗侵彻性能影响小,并且随着弹体初始速度的增加而减小。     

基于A-T模型的长杆弹超高速侵彻陶瓷靶体强度分析

Alekseevskii-Tate(A-T)模型广泛应用于长杆弹超高速冲击的终点效应分析中。A-T模型对于金属弹靶强度有明确的表达式,而对于陶瓷靶体强度尤其是弹体初始冲击速度大于1 500 m/s时还没有统一的结论。基于长杆钨弹超高速(1 500~5 000 m/s)侵彻三种陶瓷(Al N,B4C,Si C)/铝复合靶体的缩比逆弹道实验数据;基于A-T模型,给出了上述陶瓷材料在不同侵彻速度范围内的靶体强度表达式。进一步通过与47发长杆钨弹超高速(1 250~2 500 m/s)侵彻陶瓷(Al N,B4C,Si C,AD85)/RHA钢复合靶体DOP实验数据对比,验证了提出的陶瓷靶体强度表达式的适用性。     

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

为研究异型头弹丸半侵彻金属靶的侵深特性,基于量纲方法对影响侵深的主控因素进行了分析,采用弹道枪加载和LS-DYNA软件对异型头弹丸半侵彻金属靶的作用过程进行了试验和数值模拟研究,分析了异型头弹丸结构、弹丸初速、靶板厚度等因素对侵彻深度的影响规律,获得了侵深随弹丸初速以及靶板厚度的变化曲线。研究结果表明,弹丸初速和靶板厚度是影响侵彻深度的关键因素,并拟合得到了弹丸初速和靶板厚度综合影响下的半侵彻侵深经验公式。研究结果可为半侵彻作用的研究及新型侵彻的工程计算方法等提供参考。     

Perforation of a thick plate by rigid projectiles

Perforation of a thick plate by rigid projectiles with various geometrical characteristics is studied in the present paper. The rigid projectile is subjected to the resistant force from the surrounding medium, which is formulated by the dynamic cavity expansion theory. Two perforation mechanisms, i.e., the hole enlargement for a sharp projectile nose and the plugging formation for a blunt projectile nose, are considered in the proposed analytical model. Simple and explicit formulae are obtained to predict the ballistic limit and residual velocity for the perforation of thick metallic plates, which agree with available experimental results with satisfactory accuracy.