基于速度势侵彻模型的应用研究

 研究了Rubin等人提出的基于Rankine卵形体速度势函数分析的侵彻模型。根据该侵彻模型的基本方法编制了计算程序,计算头部形状为锥形、卵形和球形的长杆弹体垂直碰撞靶板时的侵彻深度和穿透靶板后的剩余速度,分析侵彻模型对不同头部形状的长杆弹体的适用性。另外,利用该分析方法计算并分析了卵形头部长杆弹体对铝靶侵彻和穿透的缩比模型问题,用分析方法验证了无量纲侵彻深度和剩余速度相等的侵彻几何相似规律,同时得到了弹体减加速度与几何尺寸成反比的重要结论。最后对混凝土靶板的侵彻与穿透问题进行了尝试计算,得到了同实验基本一致的计算结果并对其进行了深入分析。     

GFRP复合三明治板在高速弹体冲击下的弹道极限预测（英文）

研究了玻璃纤维复合三明治板在圆柱形平头弹体打击下的预测弹道极限的理论预测方法。建立了玻璃纤维复合三明治板的三阶段侵彻模型,包括侵彻面板阶段、侵彻复合材料夹芯层阶段和侵彻内板阶段。基于高速弹体侵彻下靶板的局部变形假设建立了理论关系,将弹体侵彻复合材料夹心层时视为刚体处理,面板和背板的侵彻阶段考虑了弹体的墩粗效应和靶板的绝热剪切效应。基于能量平衡原理,推导了复合材料三明治板的弹道极限,并将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,研究了不同侵彻速度、弹体质量和夹心层厚度对弹道极限的影响。结果表明,理论计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

弹体侵彻混凝土开坑阶段阻力的计算

为了研究弹体侵彻开坑过程中弹头表面阻力,采用应力波表层损伤理论分析了混凝土开坑区的侵彻特性,并在应力波反射形成层裂的基础上解释了靶面成坑机理,建立了计算开坑区弹头表面阻力的新模型,通过数值仿真和实验方法对新模型进行验证。结果表明:数值模拟和实验与新模型的计算结果吻合较好,开坑过程中弹体表面阻力与速度和弹体头部形状有关。新模型能够较好地描述开坑深度与速度的关系,适用于弹体侵彻混凝土靶的阻力计算,克服了Forrestal半经验法的不足。     

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820～1195 m/s速度撞击强度为31.0～43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2～2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。     

刚体与SPH耦合的三维数值方法研究

 研究了刚性体与SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法相耦合的计算方法和技术,以此技术为核心,在原有三维综合拉氏程序CL3D的基础上,研制了适用于斜侵彻问题数值研究的刚性弹体与SPH靶体耦合计算的拉氏三维数值模拟程序CRSPH3D。针对金属材料编入了Johnson-Cook本构模型计算模块,针对混凝土材料编入了Johnson-Holmquist本构模型及与之配套的损伤模型和状态方程等的计算模块。用研制的计算程序对弹体分别正碰和斜碰穿透中厚铝靶和侵彻厚混凝土靶的过程进行了数值模拟计算和分析。结果表明,对于铝靶穿透问题,模拟计算得到的弹体剩余速度、弹体动能损失和贯穿图像与实验结果符合得较好。对于混凝土靶的侵彻问题也得到了与实验现象一致的、定性合理的图像。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

SPH方法在宽速域岩石侵彻问题中的应用

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对花岗岩靶板受碰撞侵彻的大应变、高应变率变形问题进行了数值模拟。为了描述弹目材料的非线性变形及破坏特性,对花岗岩靶板引入了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型及损伤模型,对弹体引入含损伤的Johnson-Cook(J-C)本构方程和Grüneisen状态方程,靶板与弹体均离散成拉格朗日粒子。通过自编程序仿真计算0～4 m/s的着靶速度下花岗岩靶板的三维侵彻过程,对比分析了钢珠在不同弹体条件下的侵彻结果,在固体侵彻、半流体侵彻和流体侵彻的区域内拟合了侵彻深度随着靶速度的变化曲线。数值计算结果显示,侵彻深度随着靶速度的增加在固体侵彻区间(v01421 m/s)呈现递增趋势,在半流体侵彻区间(1421 m/s?v0?1700 m/s)呈现递减趋势,在流体侵彻区间(v0 1700 m/s)呈现递增趋势并逐渐趋于平滑,达到峰值。     

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 500m/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 600m/s)贯穿Al_2O_3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(Al_2O_3、AlN、SiC、B4C)和两种金属背板(RHA钢、铝)复合靶板的弹道性能。     

入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律

 以长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板为研究对象,分析了弹体最大侵彻深度与入射速度的关系,研究了弹体入射速度对侵彻最大深度的影响规律。研究表明：靶板的强度和界面效应使弹体在侵彻过程中存在一个临界速度,当入射速度大于临界速度时,弹体的侵彻才能通过开坑阶段进入准稳定阶段,它是造成当入射速度较小时侵彻深度随入射速度的提高而几乎不变或缓慢增加的主要原因;准稳定侵彻过程中弹体速度和侵彻速度基本不变,并且两者存在线性关系,这种关系只与弹体和靶板的材料性能有关,是造成当入射速度较大时侵彻深度随入射速度的提高呈快速线性增大的主要原因。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究北大核心CSCD

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

破片模拟弹侵彻船用钢靶板的计算模型

为研究破片模拟弹侵彻钢板的过程,将模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段进行理论分析。当靶板剩余厚度的剪切冲塞抗力小于延性扩孔抗力时,靶板的破坏模式完全转变为剪切冲塞;剪切塞块速度与剩余弹体速度相同时,推导出破片模拟弹侵彻钢靶板的能量转化及剩余速度公式,与实验及有限元分析结果吻合较好。研究结果对于破片侵彻钢靶板威力设计具有一定实用价值。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

岩石、混凝土和土抗侵彻能力数值计算与分析

利用LS-DYNA3D软件数值计算了弹体侵彻岩石、混凝土和土问题,分析在不同碰撞速度条件下的弹体响应和靶体抗侵彻能力。碰撞速度小于900 m/s时,弹体侵彻岩石的减加速度峰值约是侵彻混凝土的2倍,而侵彻混凝土的减加速度峰值约是侵彻土的6倍。减加速度峰值高则稳态侵彻过程短,弹体能量消耗很快。碰撞速度超过1.5 km/s时,随靶体材料的强度、密度逐渐减小,侵彻深度和孔径逐渐缓慢增加,岩石、混凝土和土3种靶体材料相比,最大侵彻深度增加41%~62%,最大扩孔口径增加16%~25%。     

光机靶室钢混结构基于动刚度等效的简化建模

钢混结构分离式有限元建模方法由于考虑了钢筋的实际分布,其计算精度较高,但建模过程复杂繁琐。开展了基于动刚度等效的钢混结构简化建模研究,该方法将钢筋和混凝土考虑为一种等效材料。研究中首先以典型钢混组合结构为例,以等效模型与分离式模型的模态特性等效为目标,建立了分部件的动刚度等效模型,然后将各部件等效模型组合成整体结构等效模型,数值仿真结果显示在相同载荷作用下,整体参考模型与整体等效模型的响应分布非常接近,而等效模型的规模远小于参考模型,说明了该等效建模方式的有效性。进一步将该等效建模方法应用于神光Ⅲ主机靶室钢混结构的动力学分析中,并计算了该巨型光机结构等效模型在实测基础加速度激励下的随机振动响应,靶球上各方向的响应实测结果与计算结果较为吻合。所采用的动刚度等效建模方法可应用在巨型光机结构动力学稳定性的进一步研究中。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失的实验研究

设计了高速钻地结构弹,采用35mm口径的弹道炮和100mm口径的滑膛炮,进行了0.15和1.5kg弹体在1 030~1 630m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,对高速侵彻条件下弹体的结构响应、质量损失及生存极限速度等问题进行了探讨。结果表明:在高速侵彻混凝土过程中,弹体结构的变形破坏包括头部侵蚀/墩粗+侧壁磨蚀、弯曲/尾部破裂、破碎等形式,弹体头部侵蚀和弹体质量损失程度随撞靶初速度的增加而增加。     

高速侵彻混凝土弹体在横向非对称作用下的动态响应

将混凝土侧壁对弹道的稳定作用简化为与所受横向力相关的分布载荷,运用自由梁理论分析压弯联合作用下弹体的屈服响应,讨论影响横向非对称作用的主要因素。在弹体侵彻过程中,非对称质量侵蚀越严重,骨料与砂浆基质提供的静阻力差异越大,弹头越尖削,受到弯曲作用越明显。基于理想刚塑性模型,将弹体受横向冲击载荷的工况简化为轴向无约束悬臂梁的动态响应,对塑性铰的移行及"J"形弹道的形成机理进行了分析。     

弹丸对混凝土靶体侵彻深度的灰色模拟与预测

由于弹丸对混凝土靶体侵彻机理的未知性及混凝土力学性能的复杂性,因此可将弹丸侵彻混凝土过程看作是一个灰色过程。介绍了弹丸侵彻混凝土靶体侵彻深度的灰色模拟与预测模型GM(1,n)的建立方法和过程,通过GM(1,n)模型可以实现对弹丸侵彻混凝土介质侵彻深度的模拟与预测。通过算例计算表明,此模型对模拟和预测弹丸侵彻混凝土的侵彻深度可行,且计算量较小。