混凝土靶体计及压实效应的球腔动态膨胀模型和侵彻计算

建立了一混凝土靶体的球腔动态膨胀的侵彻模型。靶体的静水压力一体积应变关系考虑了不同的密实混凝土模型。也研究了混凝土作为多孔材料在高压下的压实效应。混凝土有拉伸强度极限值，其剪切强度与压力相关为Mohr—Coulomb定律。球腔动态膨胀模型考虑球对称空腔在无限介质里从零半径开始以常速度膨胀，产生一塑性区和一弹性区。当膨胀速度足够小时，由于介质的低拉伸强度，塑性区和弹性区之间可存在一径向裂纹区。可由解析方法获得空腔表面压力和弹塑性区界面传播速度随空腔表面扩张速度变化的曲线，再由球腔动态膨胀模型所得的空腔表面压力分布用于计算混凝土靶体的刚性杆弹侵彻深度。本文模型的计算结果与经验公式，不可压缩和线性可压缩混凝土模型的进行了比较。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.     

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。     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度,根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征,认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法,计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系,得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度;随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大,靶板的弹道极限速度近似线性增大;长短轴之比小于3时,加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

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。     

斜侵彻混凝土靶的刻槽弹体的结构响应

基于刚塑性理论和侵彻载荷理论分析,将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁,给出了弹体在侵彻混凝土早期的刚体响应行为,得到了弹体任一截面弯矩、剪力以及屈服函数的分布规律。基于此理论分析,得到了刻槽弹体壁厚、材料屈服强度、初速及倾角对弹体弯曲的影响规律。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

卵形弹体侵彻混凝土开坑区侵彻阻力计算

为了研究弹体开坑过程中,弹头表面应力的表达形式,采用高速摄影仪记录弹体在开坑区的位移和时间关系,得到卵形弹体在开坑区的速度和侵深关系。采用最小二乘法对开坑区结束时消耗的弹体动能和侵深关系进行分析,提出开坑过程中弹头表面的应力形式。计算结果表明,该应力形式能较好地描述高速条件下开坑区的侵深和速度关系。     

刻槽弹侵彻混凝土受力模型研究

利用混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论,建立了针对刻槽弹体的低速花瓣形受力模型和高速圆孔形受力模型,并采用这两种模型计算了刻槽弹体侵彻混凝土的侵深。结果表明:当初速低于1 000 m/s时,运用低速花瓣形受力模型计算得出的侵深和实验值的误差小于11%;当初速高于1 000 m/s时,运用高速圆孔形受力模型计算出的侵深和实验值的误差约为20%。综合实验过程和实验误差分析可知,建立的刻槽弹侵彻混凝土受力模型可用于刻槽弹对混凝土的侵彻能力分析。     

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具,通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异,对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨,并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力,其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化,因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题,静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测;对于拟流体侵彻问题,一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大,且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系;当侵彻速度较低时,应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用,这种强化作用的本质是内摩擦;当侵彻速度足够高时,脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”,其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度,具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等;为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟,建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

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.      

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

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。     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。     

PREDICTION OF PROJECTILE PENETRATION AND PERFORATION BY FINITE CAVITY EXPANSION METHOD WITH THE FREE-SURFACE EFFECT

With a target treated as the incompressible Tresca and Mohr-Coulomb material, by assuming that cavity expansion produces plastic-elastic and plastic-cracked-elastic response region, the decay function for the free-surface effect is constructed for metal and geological tar- gets, respectively. The forcing function for oblique penetration and perforation is obtained by multiplying the forcing function derived on the basis of infinite target assumption with the de- cay function. Then the projectile is modeled with an explicit transient dynamic finite element code and the target is represented by the forcing function as the pressure boundary condition. This methodology eliminates discretizing the target as well as the need for a complex contact algorithm and is implemented in ABAQUS explicit solver via the user subroutine VDLOAD. It is found that the free-surface effect must be considered in terms of the projectile deformation, residual velocity, projectile trajectory, ricochet limits and critical reverse velocity. The numerical predictions are in good agreement with the available experimental data if the free-surface effect is taken into account.     

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。     

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.      

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

岩石的动态压缩行为与超高速动能弹毁伤效应计算

目前正在研制的超高速动能武器对地打击速度达(5~15)马赫左右, 具有侵彻机理独特, 毁伤效应倍增的特点, 现有理论难以准确描述。本文系统总结了侵爆近区岩石介质的动态可压缩性行为, 发现(5~15)马赫超高速弹侵彻近区岩石介质介于流体和固体弹塑性之间的内摩擦侧限压力状态, 创新提出流体弹塑性内摩擦侵彻理论模型, 填补了低应力弹塑区到高应力流体区之间的应力状态表征空区, 首次获得随弹体侵速变化的弹靶相互作用全过程阻抗演变公式, 界定了钻地弹固体侵彻、拟流体侵彻和流体侵彻的最小动能阈值, 系统提出了超高速动能弹打击侵深、成坑及地冲击安全厚度的计算方法。通过弹体侵速1 100~4 200 m/s的(超)高速侵彻实验, 验证了理论计算公式的准确性。