长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展，长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律，本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据，对开坑直径和开坑体积进行量纲分析，基于开坑截面的弓形形貌几何关系，得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸，在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段；弹体发生严重的长度缩短，直至最后完全侵蚀，弹洞半径明显大于弹体半径，说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外，在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数；侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大，受弹体强度影响不大。     

混凝土超高速侵彻效应的相似规律

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的"跨声速效应"。     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。     

卵形头弹体对素混凝土高速侵彻的实验研究

利用二级轻气炮装置,选取材料为38CrMnSi的卵形头弹对素混凝土靶体进行了撞击实验。根据得到的实验数据以及实验后回收的弹体和靶体,分析了动能弹高速侵彻素混凝土时的弹靶响应特性,包括弹体质量损失规律及其机理、靶体损伤特征和侵彻深度随速度的变化规律。结果分析表明,弹体侵彻素混凝土靶体过程包括锥型弹坑阶段和隧道稳定阶段,从较低速到高速侵彻,弹体发生了CRH变小、头部半球化和锥形化的特征性现象,并伴随着不同程度的质量损失,由此引发侵彻深度在高速侵彻时较小的波动。进一步引用弹体侵彻混凝土靶响应模型进行了理论分析,发现在较低速撞击时,利用模型计算得到的值与实验结果比较吻合,而高速撞击条件下偏差则较大,需要考虑弹体头部形状变化对侵彻响应结果的影响。     

SIMILARITY LAWS OF HYPERVELOCITY PENETRATION EFFECTS OF CONCRETE1)

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s 的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson 数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的“跨声速效应”。     

弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应

为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应，总结了侵彻实验中的成坑现象，分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果；考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响，采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式；基于新型成坑效应计算公式，对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大；对于钢筋混凝土，成坑深度随撞击速度提升呈先增大后减小再增大的变化规律；在常见的侵彻速度和质量范围内，成坑角为15°～24°，质量对成坑角影响较小；迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%～25%，且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小；弹体质量越小，成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好，可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。     

卵形弹体侵彻预开孔靶理论分析

以破爆型串联战斗部后级随进弹对预开孔靶侵彻过程为研究对象,基于锥形预开孔和库仑摩擦模型,发展完善了包括扩孔/开坑和稳定侵彻的卵形弹体侵彻预开孔靶理论模型。分别对该模型在侵彻脆性和弹塑性靶体的有效性进行了实验验证。利用该模型分析了弹头曲径比、预开孔直径、预开孔形状等对侵彻结果的影响。研究结果表明:发展完善的模型计算结果与实验数据吻合较好。柱形开孔情况下,侵彻速度、弹头曲径比及相对孔径同侵彻深度呈正比;在侵彻容积相同的条件下,弹体侵彻预开锥孔的侵深结果与锥角及相对入孔孔径变化关系较大。     

弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析

由于混凝土靶体抗刚性弹侵彻实验大多基于缩比弹体展开，侵彻深度相似律是否成立显得尤为重要。在侵彻相似模型基础上，综合分析已有侵彻实验数据及经验公式，发现侵彻深度在通常情况下存在尺寸效应，且无量纲侵彻深度随弹体尺寸变大而增大。但如果模型以及原型实验中弹体与混凝土靶体（包括粗骨料）严格等比例设计，侵彻深度相似律是成立的。不变的骨料特征（粗骨料未随弹体尺寸缩放）是引起侵彻实验以及侵彻经验公式中尺寸效应的主要原因。为研究由粗骨料引起的侵彻尺寸效应，开发了混凝土二维细观有限元建模程序，细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应，考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻实验。     

全入射角度下平板冲击波的壁压载荷及局部空化特性

以平面波理论为基础,推导了无限平板在全入射角度下的冲击波壁压载荷计算公式,利用实验数据对壁压公式进行修正,提出了一种适用于计算有限尺度平板壁压的经验公式;分析了不同入射角度下壁压载荷的变化特性,初步研究了壁压载荷负压特性对平板局部空化的影响。结果表明:修正后的壁压曲线与实际壁压曲线吻合较好;入射角度的增大会加快壁压衰减过程,并使最低壁压的绝对值减小;随着药量或平板厚度的增加,壁压最低负压的绝对值增大,形成局部空化的能力增强;局部空化仅在一定条件范围内才会形成,空化范围受局部空化形成压力及冲击强度等因素的影响较大。     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

Non-linear stresses in a rubber cylinder sheared by pressure at one end

Normal stresses are set up by shearing a rubber block or tube. They depend strongly on the end conditions, even for relatively long specimens [A.N. Gent, J.B. Suh, S.G. Kelly III, Mechanics of rubber shear springs, Int. J. Non-Linear Mech. 42 (2007) 241-249; J.B. Suh, A.N. Gent, S.G. Kelly III, Shear of rubber tube springs, Int. J. Non-Linear Mech. 42 (2007) 1116-1126]. We have now examined a solid rubber cylinder bonded within a rigid cylindrical tube and subjected to pressure at one end. In this case, the correct end conditions for a simple shear deformation are met, at least approximately. Theoretical analysis and finite element calculations show that inwardly directed second-order stresses are set up at the wall, in contrast to the outwardly directed stresses generated by shearing a block or tube. However, for the particular geometry considered, the stresses were rather small in comparison with the applied pressure. Conditions are described under which they would be significantly larger. Stresses in a non-linearly viscous fluid under steady shear flows are expected to be similar, depending strongly on the geometry, end shapes and stress conditions.     

平面应变各向异性本构关系及在应力波传播模拟中的应用

为了研究平面应变条件下各向异性材料中应力波传播的特点,利用各向异性弹性Hooke定律、 Tsai-Hill屈服准则、经典塑性流动理论,引入修正的物态方程计及高压下的体积压缩非线性,建立了平面应 变条件下正交各向异性复合材料的弹塑性本构关系,并且分析了二维问题中材料变形引起的主轴旋转及客 观应力率修正问题。最后采用动态显式有限元方法自行编写程序模拟某种纤维增强复合材料碰撞过程中平 面应力波的传播,模拟结果显示,在平面应变条件下应力波在该材料的传播过程中表现出明显的二维效应、各 向异性特点及弹塑性特点。     

泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式,在 均匀网格上对方程进行了离散。编写了数值计算程序,进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算。爆炸 场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明:数值计算结果与理论解、实验实 测结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性;泡沫铝的密 度越低,泡沫铝中的压力峰值越小;在接触爆炸条件下,泡沫铝外侧环境介质的性质对临近环境介质端泡沫铝 中的压力影响明显,其中,环境介质若为空气,则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势,若环境介质为水,则 临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。     

数值建模时骨料对混凝土侵彻及毁伤问题的影响

采用二维拉格朗日弹塑性流体力学有限元程序LTZ-2D分析了含骨料混凝土的数值建模对混凝 土侵彻及毁伤问题的影响。对比等效混凝土,在混凝土骨料尺寸相对弹体尺寸较小的情况下,对于薄靶侵彻, 低速撞击时骨料对弹体有阻碍作用,而速度较高时,由于靶板背面毁伤面积增大的原因,弹体的剩余速度增 大;对于厚靶侵彻,含骨料混凝土的数值建模对弹体的侵彻过程影响不大。     

常温下JBO-9021高能钝感炸药直径效应实验

通过光电联合测试方法,测量了常温下直径为10、15和30mm 高能钝感炸药柱JBO-9021炸药的 定态爆速和波形,根据拟合的爆轰波阵面形状,分析了波阵面法向速度Dn与当地曲率 之间的关系。研究结 果表明,JBO-9021炸药的定态爆速随药柱直径的增大而增大,JBO-9021(w(HMX)=15%)相对JB-9014炸 药(w(TATB)=95%),爆轰波形更平坦,爆轰波非理想传播行为得到一定改进。     

MEMS材料力学性能的测试技术

微电子机械系统(MEMS)技术的迅速崛起,推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展.首先按作用方式将实验分成压痕/划痕、弯曲、拉伸、扭转四大类,系统介绍检测MEMS材料微尺度力学性能的微型试样、测试方法及其实验结果.测试材料主要有硅、氧化硅、氮化硅和一些金属.实验结果主要包括基本的力学性能参数如弹性模量、残余应力、屈服强度、断裂强度和疲劳强度等.最后,简要分析了未来的发展需求.      

微结构对多孔材料应变率效应影响的机理研究

通过数值模拟讨论了圆环结构对多孔材料应变率效应的影响,计算结果表明,圆环结构与折板结构一样,同样存在结构的屈曲失稳,因此也具有应变率效应。只是其应变率效应不如折板结构敏感,在小应变下的率效应不明显,在后屈曲失稳阶段率效应较为明显。另外,对于壁厚较薄的圆环结构,加载过程中更容易出现结构的屈曲失稳,此时微结构所引起的应变率效应较明显。壁厚较厚的圆环结构,微结构引起的应变率效应则不显著。通过蜂窝结构的模型更清楚地揭示了微结构对多孔材料变形过程的影响。