大着速范围长杆弹侵彻深度变化及其影响因素的数值模拟

高速/超高速侵彻问题一直是武器设计者和防护工程专家关注的焦点问题之一。随着撞击速度的提高,弹体可能进入流体侵彻阶段,侵彻深度不再随速度的增大单调上升。针对撞击速度增加侵彻深度可能出现增量逆转的现象,开展了大着速范围长杆弹侵彻深度变化的数值模拟研究,分析了弹体硬度、头部形状、弹体材料及靶体材料对侵彻转变点的影响。结果表明:随着长杆弹冲击速度的提升,侵彻深度先上升后下降;同时,弹体硬度提高,到达侵彻转变点对应的撞击速度提高;尖卵形头部弹体到达侵彻转变点的撞击速度比球形头部弹体高;此外,弹靶材料对侵彻深度转变也有较大的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

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。     

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。     

弹体贯穿钢筋混凝土板有限元模型比较分析

为研究钢筋对混凝土靶侵彻作用的影响,基于混合物理论,建立了钢筋混凝土的等效混合物模型,同时还建立了将钢筋等效为钢板和素混凝土板的有限元模型,并通过弹体贯穿剩余速度、靶体压力场对两种方法进行比较,分析侵彻作用过程。计算结果表明:基于混合物理论的等效钢筋混凝土混合物模型能够较好地反映侵彻时钢筋的作用,既可以满足计算精度,又能够简化建模过程,提高计算效率,是进行侵彻数值分析的有效简化方法;钢筋混凝土板自由表面附近的钢筋分布能够提高靶对弹体的阻力,但其作用效果有限。     

弹体斜撞击单层金属薄靶的数值仿真

通过调用ABAQUS子程序引入修正的靶板J-C本构模型和修正的应力三轴度三分段式失效准则,开展了平头、卵形弹0°~60°斜撞击单层Q235钢薄靶的数值仿真计算,分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板防护性能及失效模式的影响,同时对弹体击穿靶板后的角度偏转问题进行了分析,并提出了一个改进的角度偏转半理论模型。结果发现:平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤及失效模式紧密相关,单层靶板在平头弹以同一角度分别低速和高速斜撞击后具有不同的失效模式,而在卵形弹斜撞击下失效模式相差不大;仿真与实验结果吻合较好。     

杆式动能弹侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

 根据已有的实验数据和文献参数,确定了YB-AD90陶瓷材料的JH-2模型参数。采用Autodyn-2D程序,对杆式动能弹侵彻YB-AD90陶瓷复合靶的侵彻深度和动力学侵彻过程进行了数值模拟。研究结果表明,采用的数值模拟方法和陶瓷材料JH-2模型参数合适,模拟结果与实验结果基本吻合,并且能够模拟动态侵彻过程中弹丸头部的形状变化、材料破碎和通道塌陷等重要特征。     

高速碰撞过程中应变硬化材料靶动态响应研究

 给出了适用于可压缩、弹塑性、按幂次律应变硬化材料的动态柱形腔膨胀模型和侵彻模型，并编制了相应的计算程序。腔膨胀模型给出靶中应力分布情况，侵彻模型根据腔膨胀模型的有关结果来预估具有锥形头部的刚性弹丸侵彻半无限厚靶的最终侵彻深度以及贯穿薄靶时的弹丸剩余速度和弹道极限速度。给出了钨合金弹丸正碰5083-H131铝靶和钢弹丸正碰6061-T651铝靶的一些计算结果，计算结果与实验结果及二维拉氏弹塑性LTZ-2D程序的数值模拟结果符合得很好。     

前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄板的影响

为了研究前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄靶的影响,根据前舱物的力学特性,将前舱物等效为轻质泡沫铝材料,建立了含前舱物的平头弹结构有限元分析模型,开展了不同工况下带前舱物平头弹侵彻金属薄板的数值模拟计算,分析了带前舱物平头弹侵彻金属薄板的过程,对比了带前舱物平头弹和不计前舱物平头弹在不同工况下剩余速度的差异。数值计算结果表明:带前舱物平头弹与不计前舱物平头弹的侵彻过程存在明显差异,但靶板破坏模式相同;前舱物等效材料的屈服强度对平头弹侵彻性能的影响很小,可以忽略不计;前舱物有助于提高平头弹侵彻金属薄板的能力,但提升幅度有限。在实际工程应用中,可以忽略前舱物对平头弹侵彻金属薄板的影响。     

卵形头部弹丸侵彻混凝土的研究

 用头部曲率半径为4.0、直径100 mm、质量为25 kg的卵形弹丸对混凝土进行侵彻实验，并测试了炮膛内和侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。实验用混凝土靶的抗压强度为35 MPa，密度为2 450 kg/m³，有3 m×3 m×3 m和2 m×2 m×2 m两种尺寸。测试弹丸发射和侵彻过程加速度的记录系统刚性固结于弹丸内部。弹丸侵彻初速在310 m/s至632 m/s之间，弹丸的峰值过载在12 000 g到22 000 g之间。实验后将测试的侵彻深度、侵彻过程弹丸的加速度时程曲线与用Forrestal 的理论模型计算得到的结果进行了比较分析。实验结果对认识侵彻的整个过程和相关弹药的设计有重大意义。     

SPH/FEM耦合算法在陶瓷复合靶抗侵彻数值模拟中的应用

在SPH/FEM耦合算法程序中引入了陶瓷和金属材料的本构模型,对钨合金长杆弹侵彻陶瓷复合靶开展了数值模拟。给出了侵彻过程的物理图像,并分析了陶瓷靶的抗侵彻机理。对不同入射速度下的计算结果和实验结果进行了对比,计算得到的侵彻深度和实验值比较一致,验证了耦合算法的有效性。     

土介质对低速弹丸的抗侵彻性能实验研究

 通过低速条件下弹丸对硬土、中硬土和中软土不同土介质侵彻性能的实验研究，得到了弹丸对土介质垂直侵彻的弹道特点和不同弹丸速度对不同性能参数土介质的侵彻深度，拟合得到了不同土介质中侵彻深度随弹丸动压增加呈线性增加的无量纲关系式；基于低速弹丸对不同土介质具有不同侵彻性能的实验研究方法，可有效标定不同土介质抗侵彻性能和弹丸侵彻不同土介质性能；通过实验数据与Young侵彻公式计算结果的比较分析，验证了Young公式在侵彻深度小于弹丸直径3倍时的有效性。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

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%。     

弹体侵彻混凝土靶板过程中磨蚀问题的计算

 对弹丸在混凝土材料中侵彻时表面磨蚀速度的经验公式进行了改进。假设侵彻过程中密度保持不变,据此编制了可以计算弹丸磨蚀后弹头形状、弹体质量损失以及侵彻深度的简单差分程序。将计算得到的磨蚀后的弹头形状、质量损失与卵形弹侵彻无围压强度为63 MPa的混凝土（石英骨料）实验结果进行比较,两者基本吻合。