弹体高速侵彻混凝土靶质量损失和头形钝化的数值模拟研究

弹体高速侵彻混凝土靶体时,弹靶间相互作用引起的弹体质量损失和头形钝化效应能够导致弹体结构和弹道严重失稳,从而降低弹体侵彻效能.假设侵彻过程中靶体对弹体的摩擦功全部转化为引起弹体表面材料熔融和剥离的热能,弹靶间摩擦为一般形式的摩尔库伦摩擦,论文建立了考虑质量损失和头形钝化的半刚性弹二维弹道的计算方法并编制了相关程序,该程序避免了采用速度相关摩擦系数得到摩擦功解析解的困难,并可计算侵彻过程中所有参数(侵彻深度、质量损失、速度、加速度等),且可直接推广应用于斜侵彻问题.在此基础上,讨论了指数衰减和零滑动摩擦系数形式,通过对比弹体质量损失和侵彻后头形钝化计算结果与实验数据,验证了论文方法从适用范围、物理意义和理论基础方面的适用性和优越性.数值计算结果表明,将滑动摩擦系数取为零忽略了弹靶间摩擦力与侵彻瞬时速度的关系,故其进一步推广应用有待商榷.     

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。     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。     

先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析

开展2组先进钻地缩比弹高速侵彻混凝土实验,侵彻速度在1130~1650m/s之间。针对弹体结 构特点,金相分析了侵彻后剩余弹体,发现弹体与靶接触的表面(包括弹头和壳体段)均存在明显热影响区 (Heataffectedzone,HAZ),而与靶脱离接触部分未发现明显热影响区,因而弹靶相互作用是热影响区产生的 主要原因。在弹尖部位存在少量绝热剪切带(Adiabaticshearingband,ASB),其对弹体质量损失有一定贡献, 但在实验撞击速度范围内其影响有限。ASB可能引起弹尖非对称磨蚀,进而降低弹体侵彻性能。     

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和冲击成坑+钻孔区两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运 用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状 变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参 数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的 侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分 析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。     

大质量高速动能弹侵彻钢筋混凝土的实验研究

设计了弹头形状和弹体结构合理的金属侵彻弹体,利用口径为320 mm的平衡炮,采用次口径加载技术,将直径为136 mm、长度为680 mm、质量为52 kg的金属侵彻体加速到1300 m/s,去侵彻尺寸为3 m3 m6 m的钢筋混凝土靶。实验结果表明:次口径弹托与弹丸完全分离,弹体飞行姿态稳定,飞行攻角小于2,弹体侵彻6 厚的钢筋混凝土后剩余速度约为260 m/s。实验后回收的金属弹体结构完整,仅弹体头部存在一定塑性变形,弹体质量损失约1.2%,长度缩短约0.7%,弹靶作用过程的侵蚀现象不明显。     

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...     

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。     

混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析

高速侵彻时,弹靶之间发生强烈的局部作用,引起弹体头部发生质量侵蚀,从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中,混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析,进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料,引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ1代替骨料的莫氏硬度H,给出无量纲骨料修正因子β,建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好,更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。     

钻地弹侵彻混凝土靶过程中弹体温度的变化

建立了弹丸侵彻混凝土目标靶时弹体温度变化计算模型,并结合某实验弹体结构,对钻地弹侵彻过程弹体温度的变化进行了计算,分析了弹丸头部形状及着靶速度对弹内装药安全性的影响,研究结果可为钻地弹弹体设计及装药安全性的研究提供参考。 更多还原     

Simulation of shape variation of projectile nose during high-speed penetration into concrete

A formula is developed to estimate the total mass loss of projectile, based on the assumptions that the peeling of molten surface layer in projectile nose is the primary cause of mass loss, and the frictional heat is totally absorbed by the projectile. Extrapolating this formula to predict the mass loss of local area of projectile, the receding displacement on projectile surface is obtained, which is vertical to the symmetry axis of projectile. Thereby, a finite difference method model is constructed to simulate the variation of projectile shape. The shape of residual projectile, depth of penetration of projectile and its mass loss obtained by calculation are found in good consistency with respective experimental data.     

动能侵彻弹体的质量侵蚀模型分析

通过对高速侵彻弹体的质量侵蚀实验现象进行分析,建立了质量侵蚀的工程理论模型,可对动能侵彻弹体头部侵蚀后的头形和质量侵蚀进行预期. 讨论弹体质量侵蚀的主要影响因素,认为弹体动能(或质量和速度)以及混凝土骨料硬度对弹体的质量侵蚀有显著影响,给出了更一般化的弹体质量侵蚀与撞击函数$I$的关系. 通过图形分析明确弹体的质量侵蚀主要发生于头部,并且侵蚀后的弹头仍接近尖卵形,可以通过头形变化预期弹体的质量损失.      

基于Archard理论分析弹体质量侵蚀

基于模具与工件磨损中的Archard粘着磨损理论,分析弹体表面微粒的细观塑性变形,建立弹体质量侵蚀表征模型,运用动态空腔膨胀理论得到弹体表面应力,再通过差分计算得到高速侵彻中弹体宏观轮廓的钝化回退过程。计算得到的弹体外部轮廓、质量损失及侵彻深度等参数与实验结果基本吻合。结果表明;弹体侵蚀效应对侵彻时间和深度的影响随着撞击速度的增大愈加显著;弹体侵彻过程中最大过载与刚性条件下有较大区别,提高弹体材料的屈服强度能有效减少侵彻过程中弹体的质量损失,提高最终侵彻深度。     

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.     

弹体在内摩擦介质中的斜侵彻深度计算

考虑介质处于内摩擦状态下,利用球腔膨胀理论及内摩擦介质侵彻近区运动方程求得刚性弹体在侵彻过程中的阻力。在此基础上,考虑自由表面对弹体斜侵彻的影响,将斜侵彻分为3个阶段,推导了斜向侵入弹体表面上任一点的应力公式,进而得出了新的刚性弹体的斜侵彻解析解。该解与别列赞公式在形式上一致,计算结果也符合较好,从而在理论上对别列赞经验公式进行了解释。     

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。     

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。     

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”。