不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能

为支撑陶瓷复合装甲的结构设计,研究不同厚度比陶瓷/金属复合装甲的弹道防护性能。通过陶瓷/金属复合结构抗侵彻性能弹道实验及数值模拟研究,完成有限元-光滑粒子流体动力学耦合计算模型的校验;模拟长杆弹撞击陶瓷复合装甲过程,分析装甲陶瓷与金属背板厚度比对界面击溃效应影响,获取不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能。研究结果表明：陶瓷复合装甲存在两种主要防护机制;当弹体速度小于1 000 m/s,随着陶瓷厚度从15 mm增加至25 mm,复合装甲的界面击溃驻留时间能够提高一倍以上,期间弹体耗能最高可达50%;当弹体速度大于1 000 m/s时,侵彻阶段的耗能占据弹体动能损失的主导,期间最高耗能可达85%;当金属与陶瓷的厚度比为2∶1时,复合结构使弹体具有较长的界面驻留时间,并实现较高的弹道防护效能。     

长杆弹超高速侵彻金属靶体的实验和模型分析

长杆动能弹体超高速侵彻金属靶板的终点效应是坦克、装甲车和舰船等装备防护设计和穿甲毁伤评估研究的重点。基于已有的大量长杆弹超高速(着靶速度达5.5 km/s)侵彻实验数据,详细讨论了弹体尺寸效应、长径比、弹靶材料和弹体头部形状等参数对长杆弹侵彻深度的影响。进一步结合4组不同弹靶材料的长杆弹侵彻实验数据,对比分析了已有4个长杆弹高速侵彻金属靶体经典理论模型的预测效果,给出了各模型的使用建议。得出的结论可供武器毁伤和金属装甲效能评估和设计参考。     

不同弹形撞击下泡沫铝夹芯结构动力学性能研究

为研究不同弹形撞击下泡沫铝夹芯结构的动力学性能,通过空气炮发射方式分别开展了球形弹、锥头弹和平头弹撞击泡沫铝夹芯板试验。基于非线性动力有限元软件LS-DYNA进行了不同弹形撞击泡沫铝夹芯板的数值仿真,分析了不同弹形、不同速度对夹芯板吸能特性的影响。试验结果与仿真结果一致性较好,结果表明：锥头弹撞击变形模式与球头弹撞击变形模式基本相同,平头弹侵彻过程中产生较严重的冲塞破坏,前面板和后面板呈现撕裂破坏模式,侵彻后夹芯被压实部分泡沫铝粘接在后面板上;锥形弹头部尖锐,弹头与靶的接触区域小、侵彻力大,平头弹的弹头和靶的接触区域大、侵彻力小,但靶面破坏区域大且撞击后效更大,球头弹则居于二者之间;当速度较低时,改善前面板和夹芯板的厚度以及材料性能可以较好地提升泡沫铝夹芯板的性能;当速度较高时,后面板吸能比例逐渐增大,重点改善后面板的厚度和材料性能可以较好地改善夹芯板抗侵彻性能。     

步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟

为研究步枪弹撞击带软硬复合防护明胶靶标的作用过程和作用机理,采用显式有限元方法对7.62 mm步枪弹侵彻复合靶标过程进行数值模拟,分析侵彻过程中的典型现象及明胶靶标动态响应。数值计算结果表明：陶瓷锥的形成是由压缩应力波和拉伸应力波共同作用的结果;弹头加速度变化存在明显的分段与拐点,侵彻陶瓷面板过程中,加速度达到最大,侵彻聚乙烯（PE）背板层时,出现第二个拐点;由于防护层存在多个界面,撞击过程中PE背板界面存在速度多峰现象：当弹头运动加速度达到最大时,PE背板界面出现第一个速度峰,明胶界面出现第一个压力峰;当弹头开始侵彻PE背板时,背板层出现第二个速度峰;在步枪弹撞击过程中明胶内压力波传递呈现球形波基本形态,压力峰值随距离增加呈指数衰减。     

长杆弹侵彻半无限靶板的影响因素及其影响规律

针对长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板的问题,理论上分析了影响弹体侵彻效率的主要因素,并就其对长杆弹归一化侵彻深度的影响规律及机理进行了系统的探讨,得出了长杆弹截面形状、头部形状、长径比、入射速度、弹靶材料密度比、弹靶材料泊松比、弹靶材料强度在长杆弹侵彻过程中的影响机理和其对最终归一化侵彻深度的影响规律。这些结论能够对长杆弹、防护装甲以及防护工事的设计提供一定的科学依据。     

Tc复合弹侵彻陶瓷复合靶的试验与仿真分析

为增加弹丸对陶瓷复合装甲的侵彻能力,在30 mm制式弹头部采用增韧Tc材料,与制式弹进行对比,研究2种不同结构弹丸对标准陶瓷复合靶的侵彻能力,重点分析对比弹头结构和材料对陶瓷复合靶的侵彻。在相同条件下,对比分析制式弹和Tc复合弹对装甲钢板侵彻孔径的影响。采用ANSYS/LS-DYNA进行模拟仿真,模拟结果与试验结果基本吻合,结合仿真结果,进一步分析余速和弹芯剩余质量对弹丸的侵彻能力。     

不同头部形状长杆弹侵彻过程的数值模拟

采用数值模拟技术研究了4种不同头部形状长杆弹体侵彻半无限厚轧制均质装甲(RHA)靶板的过程,重点考察弹体头部结构对侵彻过程的影响。结果表明：当靶板为高强度材料时,在相同的条件下,长杆弹体的侵彻深度是由弹体材料的失效机制决定,弹体头部形状对其影响较小;但长杆弹体头部的轮廓在撞击初始阶段对靶板的破坏有一定的影响,尤其是靶板开坑截面的大小。     

不同头部形状弹丸高速侵彻混凝土的研究

为了研究着靶速度在1000～2000 m/s时弹丸的运动规律,分别对不同头部形状弹丸高速侵彻混凝土进行研究。介绍弹丸高速侵彻混凝土的研究现状,采用数值模拟方法对其进行研究,阐述高速弹丸侵彻混凝土的数值仿真,分析不同头部形状对弹丸高速侵彻混凝土的影响,并获得弹丸头部形状、着靶速度和侵彻深度的关系。仿真结果表明：当速度范围在1400～1700 m/s时,锥形头部弹丸的侵彻效应要优于其他三者;当速度范围在1800 m/s以上时,卵锥形弹丸由于发生大的磨蚀与变形此时已经失效,并且在此速度范围下,其他3种弹丸的侵彻效应逐渐趋于一致。该研究结果对今后动能弹及半穿甲弹丸的弹形设计具有一定借鉴意义。     

基于弯管-流线模型的长杆弹侵彻头部材料流动过程分析

为了研究长杆弹侵彻过程中弹体材料的二维流动特性,基于长杆弹高速侵彻流体动力学模型,结合侵彻过程质量守恒以及弯管-流线模型,发展以撞击速度、参考点角度、参考点半径为控制变量的二维弯管-流线侵彻模型。利用该模型计算分析了钨合金侵彻钢靶过程中弹体头部材料的流动特性,并与试验结果进行了对比。结果表明：长杆弹侵彻过程中弹体头部材料的流动呈非均匀分布特性,外侧流速小于内侧流速,且弹体头部材料压力呈梯度分布。二维弯管-流线模型可用于描述侵彻过程中弹体头部材料的流动行为,解释了弹体在侵彻最终阶段弹体头部由流体主导向固体主导转变的作用过程,揭示了侵彻孔道形状变化与弹体侵彻状态之间的关联机制。     

刚性尖头弹侵彻有限厚度金属靶板分析模型

研究了刚性尖头弹以弹速或亚弹速垂直撞击有限厚度塑性金属靶板的侵彻问题。考虑靶板背表面自由边界的影响,建立并求解不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀模型,得到弹头表面径向压力的解析解。引入临界侵彻深度和临界撞击速度概念,提出一个两阶段侵彻模型。基于有限球形空腔膨胀模型,得到临界侵彻深度的解析解和弹体运动微分方程;用Runge- Kutta法求解微分方程,得到侵彻深度和临界撞击速度的数值解。与装甲钢靶板弹道试验数据比较,表明本文理论模型与试验吻合很好。     

陶瓷/玻纤复合防护结构层间位置对抗破片侵彻性能的影响规律研究

为研究陶瓷/玻纤复合防护结构的层间位置对抗破片侵彻性能的影响规律,文中采用145 mm弹道枪加载方法进行了30 g破片对18 mm厚陶瓷(含有3 mm厚玻纤包裹层)/20 mm厚玻纤复合板的侵彻试验,并获得了破片的最小贯穿速度.同时,通过数值仿真进一步研究了复合板层间位置对抗破片侵彻性能的影响.结果表明,当靶板总厚度为38 mm左右,30 g破片以1 300 m/s的初始速度侵彻陶瓷/玻纤复合结构时,陶瓷板与玻纤板的厚度比在0.9.~1.7之间时其抗破片侵彻能力较好.     

弹丸侵彻装甲钢板过载特性数值模拟

利用LSDYNA3D软件,研究了弹丸侵彻装甲钢板的过载特性,针对几种典型的弹丸初速度、着角以及靶板厚度进行了模拟计算,得到了各种条件下的弹丸侵彻加速度过载曲线,分析结果表明着速、着角及靶厚对侵彻过载有很大影响,为硬目标侵彻引信的设计及装甲防护技术提供了参考.     

基于反向传播神经网络的陶瓷损伤参数反演分析

陶瓷材料冲击加载条件下的损伤累积过程伴随着裂纹扩展、体积膨胀等因素,为准确获取陶瓷损伤参数,以钨合金球弹丸高速撞击陶瓷复合装甲的侵彻深度实验为基础,获得了陶瓷面板破碎情况。根据现有文献\[14\]数据中陶瓷材料JH-II本构模型的损伤参数范围,确定了反向传播(BP)神经网络的样本点;采用有限元分析软件AUTODYN对所有样本点的侵彻过程进行数值模拟,结合仿真和实验数据完成了BP神经网络模型的建立和TiB₂-B₄C复合材料损伤参数的反演。仿真结果和实验侵彻深度、回收陶瓷面板的损伤比对,充分验证了所建立的BP神经网络模型对陶瓷损伤参数反演的有效性。     

穿甲弹垂直侵彻陶瓷复合靶弹道极限速度的研究

为研究7.62 mm穿甲弹垂直侵彻陶瓷金属复合靶板的弹道极限速度,基于能量守恒提出一种改进的理论分析模型,进行了7.62 mm穿甲子弹侵彻陶瓷/装甲钢复合靶板的试验研究,并通过理论分析的方法对试验结果进行验证计算。研究结果发现:陶瓷/装甲钢复合靶板利用该理论分析模型计算出的弹道极限速度与弹道试验结果吻合的较好;综合理论分析和数值模拟分析结果,得出弹道极限速度与陶瓷锥质量正相关。基于理论模型的可靠性,可预测不同复合靶板厚度下弹芯剩余高度,得出陶瓷厚度是决定弹芯剩余高度主要因素。     

三维约束陶瓷复合靶抗30弹偏心侵彻机理研究

基于弹道试验对30 mm口径半穿甲弹偏心入射三维约束陶瓷复合靶板的侵彻过程进行了数值模拟,重点研究了弹着点对抗弹机理和性能的影响。研究表明:弹着点对有效防护区内的弹丸侵彻阻力和背板塑性变形耗能影响不大,因而对极限速度影响较小;有效防护区外的侵彻阻力和背板塑性变形耗能均随偏心比增大而下降,导致抗弹性能迅速下降。     

飞机壁板结构击穿的数值模拟

为了分析飞机壁板结构受到常规弹道速度(500～1000m/s)下地面火炮攻击时的动态响应和形成的损伤,应用大型动态非线性有限元分析软件MSC.Dytran建立刚性弹体高速垂直撞击侵彻方形薄靶板的三维模型,采用Johnson-Cook应变率相关材料本构模型,模拟在不同的射弹碰撞速度下薄靶板的侵彻击穿过程,讨论了带加强筋薄靶板和具有初始应力的薄靶板的破坏、损伤情况。模拟结果表明,加强筋可以在一定程度上抑制靶板结构的破坏和损伤,处于承载状态下的薄板被射弹击穿后会造成更大的破坏,使承载能力迅速下降。     

陶瓷/钛合金靶抗圆柱体弹侵彻的仿真研究

为研究7.5 g圆柱体弹侵彻下,不同厚度配比的陶瓷/钛合金靶板的弹道极限速度及靶板的破坏模式,利用有限元软件ANLYSYS/LS-DYNA,对高速圆柱体弹侵彻陶瓷/钛合金结构进行数值模拟仿真,得到了弹道极限速度随陶瓷厚度和钛合金厚度变化的拟合公式,探讨了陶瓷和钛合金厚度比对结构抗弹性能的影响规律。结果表明:陶瓷/钛合金结构的破坏变形程度基本随着结构弹道极限速度的增大而增大,与增加陶瓷厚度相比,增加钛合金厚度对弹体侵蚀程度及靶板变形程度产生的影响更大; 结构的单位面密度吸能基本随陶瓷/钛合金厚度比的增大呈先增大后减小的趋势,当陶瓷/钛合金厚度比在1～2之间时,结构抗弹性能较好。     

陶瓷预制破片侵彻特性研究

为了研究陶瓷破片对有生力量的毁伤效能及在爆炸作用下的侵彻特性,以破片垂直侵彻靶板的实验为基础,采用LS-Dyna程序,对陶瓷破片以四种不同初速垂直侵彻松木靶进行了三维数值模拟.根据模拟结果,分析了侵彻过程各个阶段的物理现象和弹靶作用特征;绘制了不同侵彻初速对侵彻结果的影响曲线,可以为陶瓷破片在不同初速下的毁伤效能研究提供参考依据.结果表明,陶瓷破片在炸药爆炸冲击波作用下,其强度性能满足使用要求;三维数值模拟方法能够揭示陶瓷球垂直侵彻靶板的细节和初速对侵彻结果的影响情况,与实验结果吻合.