基于率相关改进桥联模型的CFRP材料动态力学性能研究

桥联模型在预测CFRP材料静态力学性能上具有较高的精度,但目前鲜有基于桥联模型描述CFRP材料动态力学性能的报道。基于此,采用考虑应变率效应的本构方程与强度准则改进桥联模型。利用文献实验数据对改进后的模型进行了确认,针对侵彻弹使用环境,设计制备了CFRP层合结构并进行SHPB动态实验。理论预估模量与实验结果基本一致,理论强度值高于实验值约7%,由此校验了相关改进桥联模型在动载环境下的适用性。结合课题组已有的CFRP壳体侵彻试验结果,进一步验证了该理论模型可用于CFRP材料在冲击载荷下的性能预测。进一步的试验结果细观分析和数值模拟研究表明,X方向试样的动态破坏模式以层间分层为主,而Y方向则以纤维的压缩破坏与基体的剪切破坏为主。为CFRP材料用于抗冲击等动态载荷下的力学行为预测提供了一种可行的分析手段。

亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标的空腔特征与致伤阈值

肥皂靶标广泛应用于创伤弹道领域,作为生物目标等效靶,以观察伤口通道的破坏特征评估弹药的潜在伤害,但目前尚缺乏低附带毁伤弹药的亚毫米颗粒毁伤元对生物目标的损伤标准。采用量纲分析方法确定侵彻空腔的成形特征,根据颗粒驱动试验获得肥皂靶标的实际创伤弹道表现,并结合数值模拟分析亚毫米颗粒的侵彻空腔演化规律,建立亚毫米颗粒对肥皂靶标的临界损伤条件。研究结果表明:亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生以入口直径和空腔深度来表现的圆锥状空腔,不同密度、粒度和速度的亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生的空腔存在明显差异,空腔特征与比动能相关;随着颗粒材料密度、粒度和速度的增加,侵彻肥皂靶标产生的空腔容积随之增加,颗粒粒径越大,对肥皂靶标的侵彻深度越深,入口直径扩展至颗粒粒径的2.0~2.5倍;参考常规破片杀伤标准,等效计算不同粒径亚毫米颗粒对肥皂靶标的致伤及不同侵彻深度的能量密度阈值,发现亚毫米颗粒侵彻的能量密度需要超过0.83 J/cm^(2)才能对肥皂靶标造成损伤。数值模拟、试验测试和理论分析结果吻合较好,影响规律具有一致性,研究结果可为低附带毁伤战斗部设计及效应评估提供理论参考。

活性元含量对低附带毁伤弹药近场冲击波的影响

为提高现有低附带毁伤技术方案的近场毁伤威力,通过在分装式低附带毁伤弹药的重金属颗粒嵌层中加入不同含量的活性元材料,优化活性元配比,从而增强近场毁伤威力。开展碳化钨-铝粉-硝酸钠-氟橡胶(Tungsten Carbide-Al-NaNO_(3)-Fluororubber,WC-Al-NaNO_(3)-FKM)复合材料嵌层中不同含量活性元的静爆试验,利用自由场压力测试系统测得爆炸后的冲击波压力曲线。研究结果表明:活性元含量增加至15%时冲击波超压达到最大,在37.5 CD(装药直径)、50 CD处分别提高57.5%和18.2%;活性元含量增加至20%时比冲量在37.5 CD处最大提高25.7%。在试验结果基础上利用数值模拟方法确定活性元后燃反应模型Miller项参数,得出不同含量活性元后燃反应能量释放规律以及活性元组分反应度随时间的变化关系:在理想情况下,随着活性元含量的增加,后燃反应时间减小。研究结果为低附带毁伤战斗部的近场增强设计提供了一种较好的技术策略。

大长径比弹体侵彻混凝土结构强度、稳定性及振动特性研究

针对典型大长径比弹体SDB在侵彻混凝土靶时的结构强度及稳定性问题,基于空腔膨胀阻力模型,给出了其在不同打击工况下极限安全壁厚、抗弯破坏临界倾角及攻角的控制要求。基于压弯耦合屈服条件,研究了着靶速度、着靶姿态及无量纲壁厚对弹体结构塑性弯曲失稳的影响规律,进一步得到了保证弹体稳定条件下结构参数(长径比、无量纲壁厚)、着靶状态参数(着靶速度、着靶姿态)及弹体材料强度间的耦合约束控制条件。考虑大长径比对弹体结构振动响应的影响,通过有限元模态分析及谐响应分析获取了弹体结构的固有频率及模态振型,揭示了结构的振动响应特性。研究结论和成果可为大长径比弹体结构设计、能力评估及弹目交汇参数控制提供思路和依据。

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。

大长细比结构弹体侵彻2024-O铝靶的弹塑性动力响应

为研究大长细比结构弹体在撞击典型硬目标早期的结构动力学响应,利用57轻气炮进行了直径1.4 cm、量纲一壁厚0.1和0.15、长细比8和12、头部系数3和4.5的卵形空心弹体对2024-O铝靶的侵彻实验研究,利用高速摄影系统记录了弹体撞靶过程,观察到大长细比弹体垂直撞击硬目标过程中的局部墩粗、塑性屈曲2种结构破坏模式,以及斜侵彻过程中的整体塑性弯曲、弯曲与墩粗耦合、弯曲与屈曲耦合3种结构破坏模式和实时动力学响应过程。基于对指数硬化材料的空腔膨胀理论建立了弹体垂直侵彻模型,给出了在轴向及横向载荷交互作用下计算刚塑性自由梁危险截面屈服函数的控制方程,计算值与实验结果吻合较好。

基于变分法原理的侵彻弹体头部形状优化设计

针对刚性弹体侵彻半无限混凝土靶,利用量纲分析方法分析了介质阻力的基本形式,比较了几种经验模型的阻力规律。基于空腔膨胀理论分析了弹头形状对弹体受力的影响,以平滑弹体过载为目标,利用变分法的基本原理分析了不考虑摩擦力影响时弹头形状函数的优化形式,并与几种常用弹头形状函数进行了比较。基于LS-DYNA 3D的数值模拟计算结果显示具有优化函数头部形状的弹体侵彻过载可有效降低,有利于改善弹体受力状态和提高弹体侵彻性能。

大长细比动能弹体弹塑性动力响应数值模拟

针对侵彻体结构动态响应问题,利用有限元程序得到Lagrange六面体常应力积分单元应力张量iσj值,建立了获得侵彻体截面轴力、剪力、弯矩等广义载荷的方法.求解并分析了垂直侵彻和斜侵彻实验的大长细比弹体弹塑性动力响应.结果表明,基于最大惯性载荷的垂直侵彻弹体截面载荷分析对弹体强度设计是安全的,斜侵彻时轴向载荷与侧向载荷的交互作用可采用线性交互作用屈服面求解.

高速侵彻混凝土弹体头部侵蚀终点效应实验研究

采用高速弹道炮发射、弹体飞行姿态观测、弹体回收等技术,分别进行了不同结构、不同材料弹体高速侵彻石灰石骨料、石英石骨料两种混凝土靶实验研究。结果表明,在高速侵彻的情况下,弹体质量损失量与其初动量之间存在与弹体材料强度相关的近似线性关系,弹体初速度越高、弹体材料强度越低,弹体头部侵蚀越严重,质量损失量越高。伴随着头部侵蚀的是弹体结构的破坏、侵彻深度的降低。相比于侵彻深度转变前的弹体,转变后的弹体发生了严重变形和长度的缩短,呈现出"可变形/头部侵蚀"弹体侵彻特征。与石灰石混凝土相比,侵彻石英石混凝土的弹体侵蚀更为严重,头部轮廓变化明显。最后阐述了弹体头部侵蚀与混凝土骨料的切削作用关系。

弹体高速侵彻两种强度混凝土靶的对比研究

随着武器系统打击能力的不断提升,高强度混凝土被越来越多地应用到防护设施中。为研究弹体侵彻高强度混凝土的现象和规律,进行了弹体高速侵彻C60高强度混凝土的试验,并与已开展的弹体高速侵彻C35普通强度混凝土试验结果进行对比。采用基于空腔膨胀理论的计算方法、经验侵彻公式法和节点回退法等方法对两组试验中的弹体侵彻深度、弹体侵蚀进行了分析。计算和试验结果表明:相比于弹体侵彻C35混凝土试验,相同速度下侵彻C60混凝土弹体的过载约为其1. 8倍,侵彻深度为其52%; C60混凝土靶表面破坏更大,表明随着强度的提高混凝土脆性变大;在骨料切削影响条件相同情况下,侵彻C60混凝土弹体的侵蚀更大,表明高强度混凝土的砂浆对弹体侵蚀作用变大。

椭圆横截面弹体斜贯穿双层间隔薄钢板失效模式

为探究椭圆横截面弹体斜撞击双层间隔薄钢板的贯穿机理与姿态偏转规律,开展圆横截面弹体(C型弹)、椭圆横截面弹体(E型弹)、椭圆变横截面弹体(TE型弹)30°倾角贯穿双层间隔945舰船用薄钢板实验,获得了薄钢板失效模式和弹体运动数据。基于实验结果对比分析了3种弹体贯穿薄钢板后靶板花瓣型破坏特征。使用有限元软件Abaqus对实验进行了数值模拟,并扩展研究了TE型弹不同初始速度与30°、45°、60°倾角姿态贯穿双层间隔靶板过程,分析了该弹斜贯穿质心运动、姿态偏转规律。结果表明:E型弹斜贯穿薄钢板会形成非对称的花瓣型破坏;TE型弹的弹道极限速度随着倾角的增大而增大;TE型弹以两种典型的姿态斜贯穿薄钢板呈现不同的运动规律。

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。

破片撞击损伤装药点火数值模拟

为了研究冲击波和破片撞击复合作用下装药点火机理,采用先冲击波损伤装药、后破片撞击已损伤装药的实验方法,获得受冲击装药点火对应的破片临界撞击速度为446.9～449.4 m·s^(-1)。采用LS?DYNA程序,基于节点约束?分离法对装药冲击波损伤进行数值模拟,而后用完全重启动方法对冲击损伤装药在破片撞击下的点火反应过程进行二次模拟,通过"升?降"法得到受冲击损伤装药点火对应的破片临界撞击速度为452～453 m·s^(-1),实验和数值模拟结果吻合较好。结果表明,可采用节点约束?分离方法和完全重启动数值模拟技术进行冲击波和破片复合作用下装药点火数值模拟;受冲击波损伤装药的破片撞击点火临界速度明显要低于未损伤装药,装药受损伤状态对破片撞击感度起到了敏化作用,从而降低了破片撞击点火的临界速度。

弹体侵彻过程中装药温升的近似分析

对侵彻过程中内部装药轴向应力和变形进行理论分析,并考虑装药的弹塑性变形,得到轴向应力和形变量沿着装药轴向分布函数,以内壁与装药摩擦生热和热传导为基础,得到装药温度的分布曲线、最高温度在装药中的相对位置。计算结果表明,装药最高温升以及最高温升在装药中的位置与炸药的物性参数、装药长度和过载最大值相关,临界装药长度可作为弹体装药设计的参考,计算结果为弹体侵彻过程中的装药设计和安全性分析提供理论依据。

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 000m/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 000m/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。

高速/超高速侵彻半无限靶研究进展

随着近年来先进钻地弹的发展,侵彻领域的研究重点逐渐由高速侵彻转向高速/超高速侵彻。在超高速侵彻时,侵彻机制发生转变,针对超高速侵彻机制与针对高速侵彻机制的理论解释也有着很大不同。综述了高速/超高速侵彻半无限靶的理论过程,归纳了高速/超高速的临界转变速度,总结了高速侵彻中的空化现象研究现状,并概括了高速/超高速侵彻时混凝土靶的流体本构模型研究。针对当前的研究现状,为今后的相关研究提出了一些建议。

带前舱弹体斜撞击硬目标的姿态偏转

针对带前舱弹体斜侵彻硬目标靶体的动态力学响应问题,建立了变截面刚度自由梁在横向及轴向载荷交互作用下的动态力学响应模型,分析了带前舱弹体斜侵彻硬目标时的动态响应特性,得到了前舱破坏对弹体着靶姿态角的变化规律,结果表明,前舱的量纲一长度、前舱与弹体连接刚度/前舱截面屈服模量与弹体的偏转角正相关.

碳纤维复合材料力学性能及其复合弹体侵彻试验研究

设计了一种碳纤维复合材料弹体,基于Forrestal阻力公式对复合弹体在侵彻混凝土靶过程中壳体所承受的最大轴向应力进行了预估。制备了碳纤维复合材料层合板、空心圆筒和复合弹体试样,对碳纤维复合材料层合板和圆筒试样进行了不同应变率下的压缩试验,对复合弹体以298m/s和432m/s的速度,分别对表面强度为48MPa、厚度为200mm和350mm的素混凝土靶进行了正侵彻试验。结果表明:选用的碳纤维复合材料抗压强度随着应变率的增大而增大;所设计的复合弹体对混凝土靶具有一定的侵彻能力;制备的复合弹体壳体能够满足着速在400m/s范围内对混凝土靶侵彻的强度需求。

锥头弹体攻角贯穿薄钢靶数值模拟

为了研究攻角对锥头弹体贯穿薄钢靶破坏模式和弹体偏转的影响,利用 ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了锥头弹体以 2°~10°攻角贯穿薄钢靶的模型。先验证了模型及参数的可靠性,在此基础上进行了锥头弹体在不同攻角和初始速度条件下的贯穿数值模拟。结合靶板的破坏与弹体的偏转过程提出了一种四阶段分析模型,并系统地研究了攻角对弹道和弹体偏转角变化规律的影响。结果表明:攻角贯穿薄钢靶失效模式为非对称花瓣形破坏;攻角越大,初始速度越小(大于弹道极限速度),弹道偏转越明显;弹体偏转角变化规律与初始速度范围相关,当初始速度高于 1.4 倍弹道极限时,弹体偏转角呈现先增大后减小的变化趋势;弹体出靶时刻的角速度随攻角的增大而增大,随着初始速度的增加先反向增大后减小。

应变率效应对结构响应相似律的影响研究

利用量纲分析方法,分析应变率效应对冲击载荷下结构响应相似律的影响,提出一种速度修正方法来缩小由于应变率效应而导致的变形不相似现象,得到了考虑应变率效应的非几何相似模型律的条件。以Taylor碰撞实验为典型研究对象,在实验结果验证模拟参数的基础上,利用数值模拟研究了速度修正方法的适用性。结果表明,所提出方法可有效改善材料应变率效应所致的原型实验与模型实验之间的结构响应差异。