不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究

为研究射弹头型对低速倾斜入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同头型射弹低速倾斜入水对比试验,得到了射弹头型对入水空泡、运动速度、俯仰角和阻力系数的影响规律。试验结果表明：同一入水时刻,空泡直径随着头部锥角增加而增大,半球头型射弹入水空泡直径小于锥角头型射弹;锥角头型射弹速度衰减速率随着锥角增加而增大,半球头型射弹速度衰减率小于锥角头型射弹;入水过程中半球头型射弹俯仰角变化最为剧烈,弹道稳定性也较差;不同头型射弹在入水过程中运动参数呈现出较强的非线性特性。     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

弹体高速入水弯曲弹道实验研究

通过模型高速入水实验,利用高速摄像机拍摄了弹体入水过程和空泡形态演变过程,得到了4种头部外形模型的弹道曲线,并分析了头型、入水角、入水速度对水下弹道的影响。研究结果表明：椭圆斜截头弹体由于其特殊的头部更容易产生偏向水面的弯曲弹道,而其他3种弹体在一定速度内弹道比较稳定,基本趋于直线,虽然在有些工况下弹道发生了偏转,这是由于弹体加工过程中结构误差等造成的弹道不稳定性;入水角对弹道影响比较显著,小的入水角条件下弹体迅速向水面偏转,而入水角增大到一定程度时弹道向缸体底部偏转。所得结论可为高速入水武器的研究提供参考。     

弹道枪水下全淹没式发射膛口流场演化特性的数值模拟研究

为了解弹道枪水下全淹没式发射膛口流场的演化特性,搭建水下射击实验平台,运用直接摄影法捕捉其膛口流场演变的全过程。实验发现：在弹头出膛前,弹前水柱已经在膛口空化产生水蒸汽;弹头出膛后,膛内燃气流出并与水蒸汽掺混,将弹头包裹;弹头远离膛口后,燃气射流继续膨胀,头部呈锥形;弹头表面不断空化产生水蒸汽,形成超空泡,同时在弹头尾部会留下细长的气柱。在实验基础上建立二维多相流模型,采用流体体积函数多相流模型和标准k-ε湍流模型,结合动网格及用户自定义函数技术,对实验工况进行数值模拟。结果表明：弹道枪水下全淹没式发射时,高度欠膨胀的火药燃气出膛口后,形成了包含两个瓶状激波的复杂波系结构;弹头出膛后,在膛口流场区域内不断加速,随着弹头远离膛口流场区域,弹头速度不断衰减。     

旋成体高速入水可压缩性影响研究

针对目前高速（≥100 m/s）跨水-气体界面多相流数值模拟中空化效应和水介质可压缩性影响等问题,建立一套高速入水数值模拟方法。以旋成体为计算模型,采用剪应力传递(SST) k-ω、 标准(Standard)k-ε、重整化群(RNG)k-ε及可实现(Realizable) k-ε 4种湍流模型进行数值模拟,得到速度衰减与入水深度随时间变化的结果及入水1 ms时的空泡形态,并与理论解比较。基于SST k-ω湍流模型与文献［15,17］实验开展对比研究,选取入水速度50 m/s、100 m/s、200 m/s、400 m/s、800 m/s进行计算。研究结果表明：采用SST k-ω湍流模型的数值模拟结果与理论解一致性最好,入水速度衰减、空泡发展与实验结果基本一致,证明该方法的有效性;在入水速度≤100 m/s时, 液体可压缩性对入水冲击载荷基本没有影响;在入水速度≥200 m/s时,随着入水速度增加,液体可压缩性对入水冲击载荷影响越大,会弱化入水冲击载荷及延缓最大载荷出现的时间;在考虑液体可压缩性时,空泡形态有收缩现象;入水速度越大,入水过程速度衰减越快,加速度值在入水初期较大;在计算模型周围被超空泡包裹的航行阶段,随着入水深度增加,加速度逐渐减小,加速度的变化逐渐平缓。     

低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合数值计算研究

基于多物质的任意拉格朗日-欧拉-拉格朗日流体与固体耦合算法,考虑水的可压缩性,建立了低亚声速射弹垂直入水的流体与固体耦合计算模型。对低亚声速射弹入水时空泡、流场与弹道间的多介质耦合问题进行了数值计算,得到了不同入水条件下入水深度、速度变化曲线和空泡面闭合、空泡深闭合时间。模拟了高速射弹入水后的空泡演化过程,得到了射弹初始入水速度对空泡面、空泡深闭合时间的影响规律以及射弹加速度、应力、应变响应。将阻力系数数值计算结果与经验公式计算结果进行了比较,二者吻合良好,表明该数值计算方法是可行的。     

鱼雷入水段弹道研究

鱼雷初始弹道是鱼雷全弹道中最复杂、难度最大的弹道段之一，而入水弹道则是典型的初始弹道段。初始弹道理论研究的主要手段是仿真，本文结合入水空化实验、建立了局部空化流场的数值计算模型、空化流体动力计算模型和空泡段弹道数学模型。在此基础上。利用鱼雷空泡段弹道仿真软件，对复杂入水条件下的鱼雷空泡段弹道进行了仿真。     

超空泡射弹小入水角高速斜入水试验研究

为研究超空泡射弹小入水角高速斜入水性能,利用高速摄像技术开展了超空泡射弹入水试验。沿水下弹道轨迹的左侧等距布置压力传感器测试压力变化,分析弹体不同侧滑角入水冲击过程的弹道轨迹、喷溅演变和水下压力波传播特征。结果表明：对于射弹小入水角高速斜入水,弹体小侧滑角入水能形成较光滑透明的入水空泡和稳定的入水弹道,较大的侧滑角易造成空泡内严重雾化、弹道轨迹偏转和弹体损坏等现象,严重程度随侧滑角增大而增大;小侧滑角下弹头空化器及圆锥段斜面与水面的撞击使得入水喷溅在俯视下呈左右近似对称的“蝶”状,侧滑角对前半部分喷溅的左右对称性影响较小,对后半部分喷溅的对称性和范围影响较大,前半部分喷溅的对称轴随着侧滑角增大会出现相应偏转;入水冲击产生的水下压力波变化过程可分成两阶段：由弹体和水域冲击产生的初始压力波动阶段和各压力波叠加的高频脉动阶段,两阶段压力波动因侧滑角增加后入水状态的不同而呈现不同的变化特征。     

考虑空泡的空投航行器入水弹道研究

在分析有关资料的基础上,对某型航行器的入水弹道进行了详细计算。在考虑入水空泡的基础上,建立了入水过程的运动学和动力学模型,在Matlab环境下进行了仿真计算,求解了航行器带空泡航行阶段的流体动力,给出了2种外形航行器在2种典型工况下的入水深度、姿态和速度随时间的变化。结果表明,展开翼对航行器的空泡段时间影响不大,对入水弹道有非常明显的影响。     

复合结构弹头对多层靶的侵彻效能研究

为改善斜侵彻多层靶情况下弹丸的弹道稳定性,设计一种多层复合结构弹头.运用ansys/ls-dyna对复合结构弹头斜侵彻多层靶进行数值模拟,分析弹头结构不同材料组合对弹体剩余动能和弹道稳定性的影响.结果表明:在20°着角下,设计的多层结构弹头具有自砺性;2层和3层结构弹头在弹道稳定性和质量损耗上均明显优于制式弹;设计的多层结构弹头最优方案为2层合金钢结构弹头.该研究可为穿甲弹头结构设计以及小口径枪弹与多层靶的斜侵彻弹道分析提供参考.     

表面润湿性对球体入水空泡形态的影响研究

基于Navier-Stokes方程,采用流体体积法多相流模型,并引入动网格技术,对不同表面润湿性球体的垂直入水问题开展了数值模拟研究。将球体垂直入水空泡形态的数值结果与实验结果进行对比,验证了数值结果的正确性。对不同润湿性球体的垂直入水空泡形态的研究结果表明,球体入水空泡形态主要有4种：完全无空泡、深闭合空泡、面闭合空泡以及类面闭合空泡。入水初期形成的液体薄层是影响随后产生空泡形态的关键因素。进一步分析表明,生成不同空泡形态的临界速度与球体的表面润湿性有密切关系,建立了描述入水空泡生成的临界速度与表面接触角关系的经验公式。     

低侵彻陶瓷枪弹对航空有机玻璃的侵彻性能分析

为了改善常规枪弹杀伤过剩,在9 mm手枪基础上使用陶瓷枪弹进行试验,研究了陶瓷枪弹侵彻航空玻璃,并进行了结果分析。运用LS_DYNA有限元软件,对不同速度的低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃进行数值模拟,对比弹头的破碎效果和对航空有机玻璃的毁伤效果,分析低侵彻陶瓷枪弹的破碎性能和对航空有机玻璃的侵彻威力。研究结果表明:低侵彻陶瓷枪弹具有良好的破碎性能,速度对低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃的毁伤效果影响很大,存在充分发挥低侵彻陶瓷枪弹能力的速度区间。     

含运动弹头的手枪膛口射流噪声场特性

采用数值计算与试验研究相结合方法,分析某9 mm手枪膛口射流噪声场特性。基于计算流体力学与计算气动声学两步法,结合动网格技术,对含有运动弹头的手枪膛口燃气流场进行数值计算,即先采用大涡模拟方法计算膛口流场,得到声源积分面上的流体信息,再通过求解Ffowcs Williams和Hawkings声波动方程得到声源信息以及各个声监测点的声压信号,最终得到瞬态声场。为验证数值模型的可行性,将手枪试验结果与数值计算结果进行对比分析。结果表明：数值模型考虑弹头运动可以使计算结果更具准确性;数值计算所得各测点值与试验结果之间的误差均小于5%,证明了数值模型的正确性与可用性;研究结果对装有消声器的膛口噪声预测及膛口消声器的设计具有较好的参考价值。     

低速枪弹对有生目标作用效果的试验研究

通过试验获得了圆头弹、锥形弹、球形钢珠和圆柱空心弹在不同入靶速度、动能、比动能时生物靶标伤道深度、创伤现象与变化规律.试验表明:不同入靶速度、动能、形状、质量的4.5～7.62 mm口径的枪弹在比动能小于10.0J/cm2时,弹头未完全侵入生物靶标皮肤,基于这一结果,提出了一套低速枪弹比动能致伤判据和最小阈值,为认识低速弹致伤机理、发展非致命枪械和制定枪械杀伤力刑事科学技术鉴定标准提供了科学依据.     

基于LS-DYNA 的弹体入水过程冲击响应仿真

针对新型破障炮弹、助飞鱼雷等入水武器装备研制需求,开展弹体入水过程的冲击响应数值模拟,对比 分析弹头形状、入水初速和入水角度对速度衰减及过载响应等产生的影响。仿真结果表明：平头弹速度衰减最快, 锥头弹次之,圆头弹衰减最慢;圆头弹过载峰值最小,其头形结构最利于水中运动的稳定;入水初速越大,速度衰 减越快,弹体所受载荷增加也越明显;圆头弹倾斜60°入水时,前期速度衰减相对较慢,后期加快,过载峰值相对较 低。该仿真可为弹体设计和入水初态选择提供理论参考。     

半疏水-半亲水球体垂直入水空泡数值仿真研究

采用流体体积多相流模型耦合连续表面力模型,对具有非对称表面润湿性的半疏水-半亲水球体垂直入水空泡形态发展过程进行数值仿真,分析了半疏水-半亲水球体垂直入水过程中受到的流体动力。研究结果表明：半疏水-半亲水球体垂直入水后,产生非对称入水空泡及“心”型喷溅,同时球体运动轨迹将偏离原竖直运动轨道,由疏水半球一侧向亲水半球一侧偏斜;入水初期,在球体表面形成液体薄层运动,在疏水半球一侧,液体薄层与球体表面分离,导致空气进入形成敞开空泡;在亲水半球体一侧,液体薄层沿球体表面向上运动最终在球体顶点汇聚;液体薄层汇聚后形成楔形流,楔形流在球体顶点与球体表面分离,继续向疏水半球一侧产生的入水空泡壁面运动并撞击,形成“心”型喷溅。     

聚能射流的水下成型及毁伤效果

为分析聚能射流在水介质中的运动规律、形态变化及对靶板的毁伤效果,对锥角药型罩结构的聚能战斗部形成的聚能射流进行数值仿真模拟.在考虑静水压力的条件下,用AUTODYN对聚能射流在水下1、10和50 m侵彻水介质时的形态变化、速度衰减及对靶板的侵彻效果进行了数值模拟,并与相同炸高下空气中形成的射流进行对比.结果表明:射流头部会随着水深的加深发生明显的堆积现象;速度在空腔中呈线性规律衰减,在水介质中呈指数规律衰减;相同炸高条件下,水中的聚能射流对靶板的侵彻孔径比空气中大.     

可变形小口径枪弹的侵彻特性研究

为提高子弹的杀伤性,在标准小口径枪弹的基础上进行了新弹型的设计;利用LS-DYNA软件对开花弹和标准弹入水过程进行数值模拟,得到了两种不同弹型的头部变形图像和他们的速度衰减曲线、位移曲线以及相对动能曲线;最后进行了开花弹侵彻水介质的试验研究。结果表明：开花弹头部变形更大,呈花瓣状,且在低侵彻性和高杀伤性方面均优于标准弹。     

SPS水中枪弹超空泡减阻研究

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6．3对SPS水中枪弹的流体动力特性进行了数值模拟,研究了其利用超空泡进行减阻的规律．结果表明：随空化数增大,枪弹空泡形态减小,阻力系数增大;在发射深度不变的情况下,随时间的推移,枪弹的速度减小,射程增加;随发射深度增加,速度衰减变快,射程减小;枪弹的质量、几何参数、发射速度和深度影响射程．     

步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制研究

为研究步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制,采用有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA建立步枪弹侵彻复合靶标的数值模型。通过该模型模拟了侵彻过程中的钝性冲击现象和明胶瞬态响应,并进行了试验验证。研究结果表明：步枪弹侵彻陶瓷板过程中消耗了弹头大部分能量;明胶内瞬时空腔呈现椭球形基本形态,空腔最大凹陷深度和膨胀速度分别为25.6 mm和35.7 m/s;压力波在明胶内以球面波形式向外传播,在弹着点处峰值压力最大,且压力幅值随着传播距离的增大而不断减小;弹头速度先有一段明显的下降过程,而加速度绝对值则先增大,随后它们都逐渐衰减至0 m/s和0 m/s²;陶瓷板的破坏主要是由拉应力和压应力的反复作用造成的;数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值模拟模型的准确性。