基于FEM-SPH耦合法的弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟

针对有限元法(FEM)处理超大变形问题时所存在的困难,基于有限元与光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics:SPH)的耦合方法模拟了弹丸对钢纤维混凝土的侵彻破坏过程。其中弹丸作为刚体处理并划分成Lagrange标准有限元网格,而靶体中心部分划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述钢纤维混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist-Johnson-Cook累积损伤材料模型。数值模拟结果形象再现了弹丸冲击作用下靶体材料破碎、飞溅成坑的物理过程,尤其靶表面碎片飞散的模拟情况与高速摄影照片符合较好,并且侵彻深度计算结果与实验数据具有较好的一致性,FEM-SPH耦合方法显示出了模拟侵彻问题的有效性。研究表明钢纤维能明显增强混凝土基体的抗侵彻性能,且随纤维含量的提高增强效果更佳。     

基于近场动力学方法的混凝土板侵彻问题研究

由于近场动力学(Peridynamics)用统一空间积分-时间微分方程描述物体连续或不连续区域,改进常用微观弹脆性模型对势本构力函数,给出刚性体与变形体冲击问题接触算法;编制计算程序,验证经典简支梁变形及Kalthoff-Winkler试验;数值模拟刚性弹丸侵彻混凝土矩形板破坏过程,揭示损伤累积及裂纹扩展全过程与最终破坏形态。结果表明,改进的近场动力学模型及算法合理、可靠,能有效模拟混凝土结构冲击破坏及侵彻问题。     

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。     

单层紧密排列刚玉球砼抗弹丸冲击特性分析

本文利用ANSYS／LS－DYNA有限元软件，首先对弹丸在混凝土中的侵彻过程进行了数值模拟分析，并将计算结果与经验公式给出的结果进行了对比，两者吻合较好，表明模拟计算中材料参数的选取是合理的，计算方法是正确的。在此基础上，对弹丸在单层紧密排列刚玉球混凝土中的冲击侵彻情况进行了数值计算，结果表明，刚玉球混凝土能够有效地使弹丸偏转，减小弹丸侵彻深度，降低弹丸的冲击破坏效应，与已有的试验现象和试验结果相近。     

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。     

陶瓷/金属复合靶抗侵彻性能的数值模拟方法研究

采用自主开发的欧拉型二维爆炸与冲击问题仿真软件EXPLOSION-2D对钨杆侵彻陶瓷/金属复合靶板进行了数值模拟研究。为了描述陶瓷材料的损伤特性,在软件中嵌入JH-2本构模型及通过平板撞击实验结果拟合得到的高压状态方程。在质点网格法的基础上,给出了在欧拉算法下脆性材料累积损伤、破坏的数值算法。采用上述模型及算法研究了不同陶瓷片厚度条件下陶瓷/金属复合靶板的抗侵彻性能,分析了陶瓷靶损伤演化规律和侵彻过程。数值模拟结果与DOP(侵彻深度实验)结果吻合得较好,验证了该文模型和算法的有效性。     

钢管约束混凝土抗侵彻机理的数值模拟

基于侵彻试验,运用LY-DYNA软件,有限元法和光滑粒子法相结合,采用混凝土连续帽盖模型,对12.7 mm穿甲弹侵彻小直径钢管约束混凝土厚靶机理进行了数值模拟研究。研究表明:数值模拟结果与侵彻试验吻合较好,可较好地反映钢管约束混凝土靶核心混凝土侧面环向裂纹;钢管对核心混凝土的约束作用主要发生在弹丸扩孔过程;核心混凝土侧面环向裂纹的形成是入射压缩波与靶体背面反射拉伸波及钢管约束效应共同作用的结果;钢管约束混凝土靶的抗侵彻能力优于无钢管约束混凝土靶。     

卵形头部弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

在球形空腔膨胀模型的基础上,将钢筋混凝土中的钢筋网结构所在混凝土等效为高强混凝土层,其余部分按素混凝土层处理,得到了计算卵形头部弹丸侵彻钢筋混凝土的分层工程分析模型。用分层分析模型计算了最终侵彻深度,侵彻过程中弹丸的位移时程曲线,速度时程曲线和加速度时程曲线。将计算结果与实验数据和按球形空腔膨胀模型计算结果对比分析,结果表明分层分析模型能够较真实的反映弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态。     

基于SPH方法对不同药型罩线性聚能射流形成及后效侵彻过程的模拟

为了解决传统基于网格的数值方法在模拟线性聚能射流问题时因大变形而导致网格畸变使计算难以进行的问题,本文通过自编程实现的光滑粒子法（SPH）对不同药型罩线性聚能装药射流形成及其侵彻金属靶板的过程开展了数值模拟研究,所实现的算法可以为线性聚能射流数值模拟研究提供新途径。本文所开展的研究首先基于已有的线性聚能射流试验模型进行模拟分析,采用SPH方法有效实现了线性聚能射流的形成过程,数值模拟获得的射流头部速度与试验比对误差在10%以内。然后建立了装药质量、药型罩质量和装药横截面宽度相同的前提下不同药型罩线性聚能射流模型,数值模拟获得不同药型罩形成的射流特征以及侵彻金属靶板的开口宽度和侵彻深度随时间的变化规律。研究得到的不同药型罩线性聚能射流形成及后效侵彻规律可为线性聚能射流的设计提供参考。     

管-杆伸出式弹芯垂直侵彻半无限靶机理研究

基于管-杆伸出式弹芯材料满足刚-塑性本构关系及该弹芯在侵彻过程中视为准定常运动等假设,通过分别对头部、管体、管与杆重合部及杆体等不同侵彻阶段的理论分析与推导,建立起该弹芯垂直侵彻半无限靶的简化模型。在1300 m/s~1500 m/s的速度范围内,对该弹芯进行了数值模拟与验证试验研究。通过对模型计算、数值模拟及试验结果之间的对比,表明简化模型及数值模拟方法的可靠性,得出了该弹芯垂直侵彻靶板所产生弹坑的形貌特征与形成机制,以及该弹芯在侵彻中的相对优势情况与侵彻深度随速度的变化规律。     

基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究

利用颗粒离散单元法,研究弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。     

弹丸垂直侵彻无钢筋混凝土数值模拟

本文利用所提出的无钢筋混凝土动态材料模型对半球形头部钢弹以300m/s速度垂直侵彻无钢筋混凝土目标进行了有限元计算模拟，得到的弹丸减速度时间历程曲线、最大侵彻深度与试验结果符合得较好，靶上弹坑形状和大小试验结果有差异。     

基于气泡型非光滑表面的弹丸减阻性能研究

为了研究非光滑表面弹丸减阻的效果,利用Pro/Engineer建立几何模型,导入Gambit划分网格,基于Fluent软件,并采用S-A单方程湍流模型对弹丸飞行的气动特性进行三维数值模拟.分别对不同马赫数和攻角下非光滑表面的弹丸气动特性进行数值模拟,分析了微气泡数量和大小对非光滑表面弹体的升力、阻力影响,获得了不同工况下阻力系数和升力系数的变化规律.结果表明,气泡型非光滑表面弹丸可以在一定程度上减小飞行阻力.     

弹体侵彻混凝土靶板的数值模型

基于细观力学原理,采用离散元软件PFC3D对Hanchak侵彻的部分试验进行了数值建模,使用平行粘结模型来模拟混凝土颗粒之间的接触力和力矩,并通过模拟弹体以不同速度侵彻混凝土靶板,将弹体在不同速度下剩余速度与试验值进行对比分析,数值模拟得到的结果相对于试验值的偏差都在允许范围内,验证了离散元侵彻模型和程序编写及算法的有效性。     

数值模拟金属靶抗侵彻中的网格密度影响研究

在数值模拟中,有限元网格的数量对计算结果和计算成本都有较大的影响。采用MSC.Patran建立了弹体侵彻金属靶板的计算模型,并利用MSC.Dytran对所建模型进行了计算;结合相关的理论,对不同网格密度划分的有限元模型的计算结果进行了分析,并和实验进行了对比,得到了数值模拟弹体侵彻金属装甲中靶板的最佳网格数量。当网格无因次量μ=0.10时,所得到的数值模拟结果与实际吻合得较好：当厚度方向的网格数取为12个时,文中所采用的模型能较好地模拟弹体对靶板的侵彻效果。     

炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究

为了研究炸高因素对爆炸成型弹丸(EFP)成型性能及侵彻深度的影响,利用有限元软件LSDYNA,建立了球缺罩型聚能装药仿真计算模型。研究了十种不同炸高条件下,EFP着靶时性能参数和侵彻45#钢靶过程,并与该装药静破甲试验结果进行了对比分析。结果表明:试验与数值模拟结果较吻合,最大误差为10%,EFP装药的有利炸高与装药直径之比为3.9~4.4,最大破甲深度约为装药直径的0.92倍。     

基于有限元与光滑粒子耦合的弹丸挤进过程分析

基于有限元（FEM）与光滑粒子（SPH）耦合算法,建立弹丸身管耦合系统动力学模型。通过对某大口径火炮弹丸挤进过程进行数值模拟,弥补弹丸挤进过程有限元分析方法无法有效模拟弹带大变形缺陷,成功模拟出弹丸挤进阶段弹带塑性流动过程,在此基础上深入研究弹带的应力应变变化规律。分析弹丸初始装填角、弹炮间隙、弹丸装填不到位等因素对挤进过程中弹丸动力响应影响。结果表明,仿真与实弹射击的弹带变形一致性较好。     

一种新型井间地震爆炸震源弹的研制与测试

采用数值模拟方法计算了两种不同装药结构的89型震源弹在10.0、21.0 mm和32.0 mm不同间隙下对套管的侵彻伤害程度,并对满足技术要求的方案进行地面模拟侵彻套管和震源枪模拟井试验。结果表明:在10.0 mm间隙下,数值模拟计算侵彻深度比试验结果深1.7 mm;在21.0 mm和32.0 mm间隙下,数值模拟和试验的侵彻深度相同,说明了数值计算结果与试验结果吻合性较好。新设计的震源弹在震源枪身形成平均直径为22.3 mm的孔眼,满足向地层迅速释放爆炸能量、激发地震波且不损伤套管的要求。     

基于FE-SPH自适应耦合算法对长杆弹侵彻反应装甲的模拟研究

该文采用自编程序实现的FE-SPH 自适应耦合算法对长杆弹侵彻反应装甲的过程开展了数值模拟研究。为了实现反应装甲中的凝聚炸药在长杆弹冲击作用下的起爆过程,在FE-SPH 自适应耦合算法中嵌入了凝聚炸药的点火-增长模型。该文首先应用FE-SPH 自适应耦合算法对二维轴对称反应装甲冲击起爆模型进行了模拟分析,并以此验证了自适应FE-SPH 自适应耦合算法对此类问题模拟的可行性和有效性。其次,针对长杆弹斜侵彻反应装甲的过程进行模拟,再现了反应装甲动态响应干扰长杆弹入侵的过程。通过与相关实验数据结果及其他方法模拟的结果对比,FE-SPH 自适应耦合方法能够有效地对长杆弹侵彻反应装甲和后效目标靶进行一体化仿真。     

拐角型线型聚能装药爆炸成形及侵彻钢靶的实验与数值模拟研究

运用ANSYS/LS-DYNA3D程序的三维多物质ALE算法,对拐角型线型聚能装药在爆炸载荷下成型及侵彻金属靶的全过程进行了数值模拟研究,计算结果与实验结果比较吻合.这种连贯性的模拟能力避免了数值计算中对射流的许多人为假定.计算和试验结果表明,随着切割器连接拐角度数的减小,金属射流成形越加困难且侵彻能力也随之降低,此研究对拓宽线型聚能切割器的应用领域有积极作用.