弹体高速侵彻效率的实验和量纲分析

为了研究高速侵彻时弹体撞击速度、材料强度等对质量侵蚀特性和侵彻效率的影响规律,开展了不同材料强度和长径比的弹体高速侵彻半无限厚素混凝土靶实验,弹体撞击速度为880~1 900 m/s,弹头形状为尖卵型(半径口径比为3),口径为30 mm。由实验发现:弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布,最大侵彻效率时的弹体特征撞击速度约1 400 m/s;高速侵彻时弹体的质量侵蚀主要发生在卵形头部,弹身及尾部损伤极少;速度超过特征撞击速度时,弹体侵蚀严重,甚至弯曲变形或解体;弹体强度提高至约2倍时,质量侵蚀率降低约80%。基于实验,利用量纲分析原则建立了量纲一侵彻效率和量纲一弹体撞击速度的函数关系式,可估算出最大侵彻效率对应的弹体撞靶速度,为高速侵彻效应模拟实验提供理论指导。     

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。     

高速侵彻混凝土弹体的形状演化模拟

高速侵彻时, 弹靶间摩擦力所做功全部转变为热并作用于弹体, 假设弹体质量损失来源于弹体表面材料熔化脱落, 可以预测弹体总质量损失. 结合分析得到的弹靶间摩擦功与压力轴向功关系, 通过相应的弹体质量损失分析, 获得侵彻过程中弹体表面各点的回退位移(垂直于弹体轴心线方向), 实现弹体形状演化的模拟. 弹体形状、侵彻深度及质量损失的计算结果均与实验结果基本吻合.      

基于物质点法不同头部形状弹体侵彻动靶过程的仿真研究

为分析弹头形状对动靶侵彻性能的影响以及解决有限元法模拟子弹侵彻问题时存在的网格畸变问题,本文采用物质点法建立了弹体侵彻靶板的数值模型。利用编写的程序对卵形弹侵彻静靶过程进行了仿真,并将仿真结果与实验测试结果进行了对比分析。结果表明,利用物质点法仿真子弹侵彻过程是可行和有效的。通过对平头弹、球形弹、卵形弹侵彻动靶过程的模拟仿真,得到了弹体贯穿动靶后弹体的剩余速度、偏转角、扭转角、靶板的毁伤效果。所得结果显示:当靶板速度较低时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最小;当靶板速度较高时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最大;弹体偏转角和扭转角均随动靶速度的增加而逐渐增大,且卵形弹的偏转角和扭转角均大于平头弹和球形弹;当动靶初速度小于300m/s时,卵形弹的侵彻能力较强;当动靶初速度大于300m/s时,球形弹的侵彻能力较强。本文研究对弹丸侵彻和装甲防护等军工领域有一定的指导作用。     

结构变形对深侵彻弹体偏转的影响

钻地弹是打击地下工事的利器,弹道偏转是降低钻地弹侵彻效率的重要原因之一,弹道偏转的本质原因是弹体偏转,亟需快速且精确地预测多侵彻姿态下弹体的侵深与偏转角度。基于微分面力法,将计及有限大靶所有自由面影响的靶体响应力函数加载在弹体表面,快速模拟了弹体的运动和变形。靶体响应力函数和数值计算模型通过了试验校核。利用刚性弹与可变形弹的运动和变形的对比,剥离并分析了结构变形对弹体偏转的影响。分析显示,结构变形是可变形弹偏转的驱动源之一,其可改变弹体外力矩,并影响弹体瞬时偏转速度。相同条件下,可变形弹偏转角度大于刚性弹。随着弹体长径比减小、着靶速度降低及侵彻斜角增大,刚性弹偏转角度增大;而随着弹体长径比增大、侵彻斜角增大及弹体壁厚减小,可变形弹偏转角度增大。着靶速度对可变形弹偏转角度的影响不单调。当着靶速度不高于800 m/s、侵彻斜角不小于20°时,着靶速度越高、侵彻斜角越大、弹体长径比越大、壁厚越小,则结构变形对弹体偏转的贡献越大。为此,建议选择可变形弹分析非理想侵彻弹体的运动和变形,以提高分析精度与合理性。     

锥头刚性钨弹贯穿铝合金靶理论模型与应用

利用柱腔膨胀理论,提出了带有圆锥形头部的刚性杆式钨弹侵彻和贯穿薄铝靶板的理论模型.该模型考虑了弹靶之间的摩擦效应的影响.推导获得了弹体撞击并侵彻和贯穿靶体全过程中的弹体速度和弹体贯穿靶体时的剩余速度解析表达式,给出了弹体的速度时程曲线.通过比较理论与基于MSC.DYTRAN软件的有限元数值结果,验证了理论模型的适用性.基于理论模型的结果表明,弹体锥头长度越大,弹体剩余速度越高.弹体越细,其贯穿靶威力越大.弹靶之间的摩擦将降低弹体的剩余速度.计算也进一步表明,考虑摩擦的影响,弹锥头长度存在对应于获得最大剩余速度的某一最佳值.     

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

SPH算法在长杆弹侵彻多层间隔靶中的应用

基于Autodyn软件,应用SPH算法对长杆弹高速侵彻多层间隔金属靶板的过程进行数值模拟,分析了弹体侵彻靶板后的剩余速度、剩余动能、以及形成的破片及其飞散情况,同时模拟初始速度及弹体质量对侵彻过程的影响.通过与实验结果的比较,表明数值模拟的结果是合理的,能够准确模拟长杆弹对多层间隔靶的高速侵彻过程,对预测弹体侵彻件能以...     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

球形弹对金属靶板侵彻问题的数值模拟

基于球形空穴膨胀模型(SCE),采用ABAQUS有限元商业软件并结合自主开发的ABAQUS用户子程序对球形弹侵彻金属靶进行了有限元3D数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无需划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角,并且考虑了弹体在运动过程中和靶体的接触分离效应。模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,模拟结果与实验结果吻合得很好。     

动能深侵彻弹的力学设计(Ⅱ):弹靶的相关力学分析与实例

介绍了作者关于动能深侵彻弹研究的部分工作。单纯动能弹侵彻存在侵彻深度上限，在技战术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可令动能深侵彻弹尽可能实现最大侵深。其中弹体结构的力学设计尤为重要，如弹形、弹材、质量比、长径比等。进一步开展弹体结构设计的力学研究，包括头部设计、战斗部后盖、装填比、弹形和弹材、侵彻效应中的尺度律、混凝土靶的设计，最后给出若干实例。     

先进钻地弹概念弹的次口径高速深侵彻实验研究

同一般钻地弹相比,先进钻地弹撞击速度更高,侵彻深度更大。为实现高速侵彻,实验室研究常采用火炮次口径发射。本文中给出了高速侵彻的实验方法和火炮次口径发射实验技术,并开展了先进钻地弹概念弹的深侵彻缩比实验研究,取得了撞击速度约1.2 km/s的高侵彻能力的实验结果。同时对弹靶的变形破坏分别进行了分析,进一步验证了先进钻地弹的概念可行性。     

弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀实验研究

为研究弹体高速侵彻混凝土过程中质量侵蚀规律及特性,开展了一系列实验研究,进行了不同速度(800～1500m/s)侵彻不同强度(C30～C80)混凝土试验,根据试验结果拟合出了既定材料弹体质量侵蚀同侵彻速度之间的对应关系。试验结果还表明:(1)对于该种材料弹体,当侵彻速度小于1200m/s时,弹体侵蚀量不仅同Vs2(动能)呈线性关系,也随混凝土强度的提高而增加;(2)对于材料为60Si2Mn的弹体,其理想侵彻速度为1100m/s～1200m/s之间;高于该速度,质量侵蚀严重,弹体侵彻能力急剧下降;(3)弹体质量侵蚀主要发生在头部,当侵彻速度较低时,磨损是导致弹体质量损失的主要因素;当侵彻速度逐步提高,超过某临界值时,熔融和磨损是导致弹体质量损失主导因素。     

考虑头形磨损变化的动能弹侵彻深度研究

质量损失主要发生在弹体头部,讨论残余弹头形状因子的主要影响因素,给出了更为一般化的残余弹头形状因子与初始撞击速度之间的关系. 假设在整个侵彻过程中弹体头部形状因子及质量保持瞬时速度平方的线性关系,得到了能够考虑弹体头部质量磨损的侵彻深度计算方法. 弹体质量损失将导致其侵彻深度存在上限,该修正模型可以找出达到侵彻深度上限的弹体初始撞击速度.      

碎片对铝合金薄板抗侵彻性能影响数值仿真研究

利用ABAQUS 有限元软件,采用合适材料参数及准则,建立平头弹及碎片撞击2A12-T4铝合金靶板的数值仿真模型。通过改变弹体与碎片之间的相对位置,研究弹体撞击靶板过程中碎片对其抗侵彻特性的影响规律及机理。通过数值仿真计算,分析弹体对靶体的撞击物理过程及失效机制。基于数值仿真计算结果可以发现,碎片对靶体抗侵彻性能受弹体速度以及弹体与碎片之间的相互位置等因素共同作用。对于靶体的抗撞击性能,弹体与碎片之间接触面积存在一个最佳值,接触面积太大或者太小都会减小靶板的损伤面积,从而减少撞击过程中靶板吸收的能量。     

卵形头部刚性弹侵彻厚靶的半解析模型

基于确定靶体中速度势和速度场的方法分析刚性卵形头部弹体对有限厚靶的侵彻问题。推导了靶体中速度场与应力场的计算方法,利用据此编制的计算程序,计算了卵形头部钢弹体对铝靶的侵彻与穿透问题,给出了侵彻深度与剩余速度同初始碰撞速度的关系。结果表明,在对实验参数不经过任何调整的情况下,得到了同试验曲线相吻合的结果。可以看出该方法的有效性。     

细长薄壁弹体的屈曲和靶体等效分析

利用金属靶开展动能深侵彻弹的穿甲屈曲实验研究。实验观察到长/短型弹体动塑性屈曲破坏分别表现为轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型2种基本模式。不同的屈曲破坏模式与弹体几何、撞击初条件以及靶材等密切相关。区别于刚性尖头弹穿甲金属靶的韧性隧道开孔,尖头弹因屈曲破坏易变形为钝头形,导致弹体穿透靶板表现为挤凿穿甲。利用薄壁中空柱壳的弹性欧拉屈曲分析和弹体塑性屈服的极限分析给出弹体动塑性屈曲的临界条件。同时给出屈曲实验中混凝土靶和金属靶的等效条件。     

混凝土复合靶结构参数对侵彻过载的影响

混凝土复合靶基体靶板的层数和中间粘结层厚度是复合靶能否模拟单一靶的两个重要影响因 素, 利用AUTODYN2D仿真软件, 重点研究了这两个因素对弹体侵彻过载的影响. 首先通 过已有的实验和理论公式验证了初始仿真模型和材料参数的合理性. 在此基础上, 通过改变 基体靶板的层数和中间粘结层厚度建立了多组侵彻复合靶的仿真算例. 通过弹体侵彻速度、 过载曲线的对比, 结果表明: 全尺寸深侵彻过载实验中复合靶能够代替单一靶, 但复合靶中 间粘结层的厚度不要大于1/2弹头部长度; 当中间粘结层厚度超过弹头部长度1/2时, 弹体 侵彻复合靶过载与侵彻单一靶的偏离程度随基体靶板层数的增加而增大, 上述结论可为实验 中构建混凝土复合靶提供参考.     

Stability analyses of the mass abrasive projectile high-speed penetrating into concrete target. Part Ⅱ： Structural stability analyses

The initial oblique and attacking angles as well as the asymmetrical nose abrasion may lead to bending or even fracture of a projectile,and the penetration efficiency decreases distinctly.The structural stability of a high-speed projectile non-normally penetrating into concrete and the parametric influences involved are analyzed with the mass abrasion taken into account.By considering the symmetrical or asymmetrical nose abrasion as well as the initial oblique and attacking angles,both the axial and the transverse drag forces acting on the projectile are derived.Based on the ideal elastic-plastic yield criterion,an approach is proposed for predicting the limit striking velocity（LSV）that is the highest velocity at which no yielding failure has occurred and the projectile can still maintain its integral structural stability.Furthermore,some particular penetration scenarios are separately discussed in detail.Based on the engineering model for the mass loss and nose-blunting of ogive-nose projectiles established in Part I of this study,the above approach is validated by several high-speed penetration tests.The analysis on parametric influences indicates that the LSV is reduced with an increase in the asymmetrical nose abrasion,thelength-diameter-ratio,and the concrete strength,as well as the oblique and attacking angles.Also,the LSV raises with an increase in the initial caliber-radius-head（CRH）and the dimensionless cartridge thickness of a projectile.