球形破片侵彻弹道明胶实验研究

为研究破片对人体的力学损伤机理,采用弹道明胶作为人体软组织替代物,开展了球形破片侵彻明胶实验研究。球形破片驱动装置为57/10二级轻气炮,利用超高速摄像机记录了Φ4 mm、Φ5 mm、Φ6 mm球形钢质破片,以600~1150 m/s速度侵彻明胶过程,并采用图像处理方式获取了明胶瞬时空腔数据。实验结果表明:瞬时空腔直径随着时间推移形成两个膨缩阶段,呈现周期性变化规律;基于实测球形破片速度-位移衰减关系,定量描述了3种直径球形破片侵彻明胶的运动规律;根据球形钢质破片的存速系数比29.90 mm^(-1),可快速预测该类破片侵彻弹道明胶过程中侵彻深度与侵彻速度之间的关系。研究结果可为深入分析生物致伤机理提供参考。

紫铜爆炸成型弹丸等效弹丸侵彻规律研究

为了探究一种以紫铜作为药型罩材料的周向多线性爆炸成型弹丸侵彻毁伤规律,用25 mm口径火炮发射一种长径比为1∶5的紫铜EFP等效弹丸,分别从紫铜弹丸1000~1700 m/s的着靶速度和0°~70°的着靶角度两方面研究了其对Q235钢的侵彻毁伤规律,建立了紫铜杆式弹丸侵彻Q235钢靶的仿真模型,拟合出了实验所用紫铜的Johnson-Cook本构模型参数及断裂失效参数,并且利用侵彻试验结果对仿真模型的准确性进行验证。研究结果表明:该拉伸试验得到的Johnson-Cook本构模型参数及断裂失效参数能够较为准确地描述紫铜在侵彻过程中的断裂失效行为;在800~2000 m/s时,紫铜EFP模拟弹丸侵彻深度随侵彻速度的增加呈线性增加;弹丸着靶角为40°时,弹丸偏转角达到最大6.35°,弹丸着靶角在10°~30°之间时,弹丸侵彻深度能达到最大。该研究可为周向多线性紫铜爆炸成型弹丸战斗部的威力设计提供参考。

人员易损性分析研究进展及应用综述

人员是战场中的核心要素,是最易损、最复杂的对象之一,其易损性研究涉及力学、数学、统计学、医学、生物学等多学科交叉,研究难度大,但对于开展杀伤效能评估、防护效能、战伤救治等具有重要价值。通过总结不同目标易损性分析的文献,提出损伤评分及杀伤判据是人员易损性分析中的两个重要环节。回顾了人员损伤评分的研究现状,重点介绍了4种常用评分方法(简明创伤评分、损伤严重度评分、校正损伤严重度指数、军用战伤评分)及应用情况;给出了典型战场环境中冲击波、投射物、冲击振动、热4种主要杀伤元对无防护人员损伤的研究动态、评估模型、杀伤判据。分析了基于数字化人体模型开展的人员易损性分析应用技术,探讨了易损性分析结果的主要应用场景,分析了该领域可能的主要发展方向。所得结果可为人员易损性研究提供重要参考。

三层组合陶瓷复合装甲的抗侵彻性能及其损伤机制

为了研究相同面密度下Kevlar/SiC-TC4-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合靶板的复合结构参数对其抗弹性能的影响和失效机理,选用4组不同厚度组合的靶板试样,并使用12.7 mm穿燃弹以相同着靶速度(488 m/s)进行弹道冲击实验。使用扫描电子显微镜(SEM)研究复合装甲板在弹道侵彻下的损伤模式。实验结果表明:在所述实验条件下8 mm+2 mm+10 mm厚度组合的Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板是最佳的抗侵彻工程应用结构;在同等面密度条件下,将1 mm厚陶瓷替换成同等面密度的TC4钛合金背板(约0.5 mm厚)时,复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约29.69%,可见钛合金的结构参数对复合装甲板抗弹性能的影响权重大于SiC;钛合金背板面密度的增加不仅增强了对陶瓷的支撑作用,而且增加了弹-靶作用时间,提升了复合靶板的整体防护性能;12.7 mm穿燃弹侵彻后复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、钛合金背板少量隆起变形及十字形拉伸撕裂损伤、UHMWPE层合纤维背板剪切断裂、层间分离和纤维拉伸;在整体复合装甲的设计中,应将高抗剪材料放置在背板的前几层,将高抗拉材料放置在背板后几层,以充分利用每种材料。

活性PELE侵彻钢筋混凝土毁伤效应仿真研究

为研究活性横向效应增强弹(Penetrator with Enhanced Lateral Effect, PELE)对钢筋混凝土靶的冲击爆燃毁伤效应,采用有限元分析软件对活性PELE毁伤钢筋混凝土靶作用行为进行数值仿真研究。基于点火增长模型,建立可描述活性芯体冲击反应过程的数值仿真模型,并根据弹道驱动试验结果对数值仿真模型进行有效性校验,计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上开展不同冲击速度和壳体厚度条件下活性PELE对钢筋混凝土靶的毁伤特性研究。研究结果表明,随着冲击速度的提高和壳体厚度的增加,混凝土靶通孔尺寸呈先增大后减小的趋势,而对于崩落尺寸,弹丸的冲击速度则是主要影响因素。

步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究

针对枪弹侵彻穿防弹衣人体背部产生脊柱脊髓钝性损伤,建立了DBP10式5.8 mm步枪弹侵彻NIJⅢ级SiC/UHMWPE防弹插板的数值模型,采用JHB本构和基于Abaqus二次开发的VUMAT本构分别模拟SiC陶瓷和UHMWPE层合板;开展了5.8 mm步枪弹侵彻NIJⅢ级SiC/UHMWPE防弹插板的数值模拟,通过基于高速摄影的弹道实验结果对比验证了数值模型的准确性;基于枪弹侵彻防弹插板的数值模拟结果,开展了5.8 mm步枪弹以910 m/s入靶速度侵彻背部穿硬防护人体躯干靶标的数值模拟,明确了步枪弹击中防弹衣后压力波在肌肉-脊柱内的传导规律,还原了枪弹侵彻过程中人体典型器官(心、肝、肺、胃等)的应力波传递过程。结果表明:人体背部在枪弹钝击作用下会在脊椎椎骨上产生瞬时高应力,可能导致椎骨骨折、椎间盘突出和脊柱不稳定;致伤点T10椎体后方脊髓最大应力为1.04 MPa,可能导致脊髓改变;对脊髓上应力与加速度线性回归分析表明,压力与加速度呈正相关。

刚性弹体侵彻混凝土和花岗岩数值模拟研究

为了研究混凝土靶板和花岗岩靶板的抗侵彻能力,通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对刚性弹体侵彻Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型混凝土靶板和花岗岩靶板的过程进行数值模拟,通过数值模拟结果与试验结果及理论公式计算结果的对比,验证数值模拟结果的有效性.结果表明,在相同条件下,刚性弹体在花岗岩靶板中受到的阻力大于相应的混凝土靶板,而且在刚性弹体同样的初始侵彻速度下,弹体侵彻混凝土靶板后的残余速度明显高于弹体侵彻花岗岩靶板后的残余速度,混凝土靶板的侵彻深度也明显高于花岗岩靶板的侵彻深度.针对刚性弹体正侵彻两种靶板结果的分析表明,花岗岩靶板相比混凝土靶板在抗击弹体侵彻能力方面更显著,可为防护工程结构设计提供支撑和依据.

基于修正补偿模型法的不同材料钢板靶标 相似性及等效设计方法

弹体对舰船侵彻能力的考核多采用舰船板架结构侵彻试验,由于特种钢材采购与加工成本较高,因此,需开展弹体侵彻金属靶板材料等效方法研究。基于相似理论对钝头、截锥形和截卵形3种弹体垂直侵彻不同材料钢板情况下剩余速度相似性开展研究,将无量纲剩余速度表示为靶板无量纲板厚和无量纲动态屈服应力的函数,并对于模型靶板与原型靶板材料不同的情况,应用修正补偿模型方法,建立了通过改变模型板厚以达到与原型剩余速度相等的相似性设计方法,并通过数值仿真结果拟合,得到了两种材料间的等效系数,分别为钝头弹0.5047,尖头弹0.3943,截卵形弹体0.3845。

基于人体解剖结构的防护装备性能及武器杀伤效能评估

为评估防护装备性能以及杀伤元冲击有防护人体时的杀伤效能,考虑到人体结构的复杂性,构建了基于中国可视化人体数据集、含有402种解剖结构的虚拟人体体素模型,提出基于解剖学结构的装备防护性能及武器杀伤效能评估算法,在易损性软件中开发了装备防护性能评估模块和武器杀伤效能评估模块,得到了5.8×42 mm步枪弹以不同速度冲击NIJⅢ级防护时的杀伤特征量变化,以及9 mm手枪弹冲击MICH型头盔时不同头-盔间隙与人员生存率之间的关系。研究结果表明:5.8×42 mm步枪弹以850 m/s冲击人体时,穿戴防护前后的致死率分别为80%和4%,弹丸杀伤能力随着靶速度的提升而提高,950 m/s时致死率超50%(未击穿);9 mm手枪弹冲击头部的情况下,无头盔时生存率约为40%,当佩戴头盔且头-盔间隙为25 mm时生存率约为84%,较大的头-盔间隙能更有效的保护头部;研究结果可为典型杀伤元(弹丸、破片)的杀伤效能评估和防护装备性能评估提供依据,并为武器弹药设计和防护装备研制提供参考。

基于键基近场动力学对防弹插板在步枪弹侵彻下的力学响应仿真

针对当前防弹插板在枪弹冲击下的力学响应研究尚有不足,采用键基近场动力学方法和传统拉格朗日方法相结合的方式对5.56 mm SS109步枪弹侵彻NIJⅢ级SiC/超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)防弹插板这一过程进行数值模拟,并与基于三维数字图像相关法的防弹插板侵彻试验结果对比,验证数值模型的准确性。研究结果表明:弹丸在侵彻防弹插板50μs后速度从810 m/s衰减至157.57 m/s,防弹插板与弹丸接触的陶瓷片严重碎裂;键基近场动力学方法可以很好地跟踪枪弹冲击陶瓷插板时裂纹的演化过程,SiC陶瓷插板受810 m/s的SS109枪弹冲击时产生的放射性径向裂纹在10μs内基本向外扩展完毕,其重度损伤面积在30μs内就基本定型,最终在压力波的复杂作用下产生径向裂纹、环向裂纹以及平行碰撞面的层裂纹;防弹插板背凸量最大值为18.41 mm,由于UHMWPE层合板具有正交各向异性,此时背面等效应变以弹着点为中心呈L形分布,发生的位置在鼓包边界约±45°处,等效应力场呈现菱形分布,应力集中发生在菱形的4个角上。

典型7.62 mm狙击弹对有生目标的杀伤效应

为了研究典型7.62 mm狙击弹在不同距离上对有生目标造成的杀伤效应,采用自适应光滑流体动力学方法(Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics,ASPH)构建数值计算模型,获得不同距离上该弹丸对弹道明胶造成的瞬时空腔尺寸,并与相应实验结果进行验证;基于自主开发的人体易损性评估软件,获得该狙击弹在200 m、400 m和800 m上命中人体胸部时可能造成的损伤严重度。研究结果表明:ASPH方法兼顾了计算精度和计算效率,适用于求解侵彻大变形问题;相同侵彻速度下攻角大的弹丸在明胶中翻滚更早,受到的加速度作用力更大,靶标厚度对弹丸运动过程和杀伤效果也有着重要影响;2°攻角下,射击距离为200 m时造成的瞬时空腔直径分别为400 m和800 m时的1.14倍和1.44倍;2°攻角下,7.62 mm狙击弹200 m时侵彻初始阶段加速度峰值分别为400 m和800 m时的1.63倍和3.8倍;基于人体易损性评估软件,当射击距离分别为200 m、400 m和800 m时,命中人体胸部剑突右上方情况下造成的最大简明创伤评分分别为6(死亡)、5(危重伤)和4(严重),新损伤严重度评分分别为75、57和48,随着命中距离的增加,人员死亡概率从96.8%下降到60.3%。

活性破片作用后效靶板耦合能量分布特征

为揭示活性破片穿透前靶后,对后效靶板的耦合能量分布特征及机理,开展活性破片毁伤双层靶板弹道枪实验。通过高速摄影记录弹靶作用行为,结合间隔靶毁伤形貌、破片侵靶破碎理论和二次碎片能量分布,建立活性破片作用后效靶板毁伤行为模型。研究结果表明,活性破片在毁伤后靶过程中,动能化学能分别在不同碰撞速度区间内占据主导地位,随碰撞速度增加,活性破片被完全激活,活性破片对后效靶板的毁伤从化学能主导转变为动能主导。

不同陶瓷厚度复合靶的抗侵彻行为研究

轻型复合装甲是现代装甲防护系统的研究重点之一,为了研究不同陶瓷厚度陶瓷/纤维复合靶板的抗侵彻性能,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹在同一工况条件下正侵彻芳纶/SiC陶瓷/UHMWPE纤维复合靶板的弹道试验。回收试验后的弹芯和靶板,观测分析了弹芯和陶瓷的破碎特征和失效模式,同时对回收的弹芯和靶板碎片进行筛分、称重,分析弹芯和陶瓷碎片的累积质量分布规律,表征了陶瓷/纤维复合靶板的抗侵彻性能。研究结果表明:弹芯头部破碎呈粉末状,身部破碎成大小不规则的碎片,而剩余弹芯无破碎且断口表面呈规律性断裂特征。通过扫描电子显微镜对剩余弹芯的断口处进行观测,发现断口处存在规律性的解理性断裂特征,表明弹芯断口处的主要失效模式为拉应力作用下产生的脆性断裂和局部的塑性变形,且为多次断裂失效作用的结果。陶瓷破碎形态为环状裂纹、径向裂纹以及两种裂纹相互交织形成的含有锥角的陶瓷锥,且随着陶瓷厚度每增加1 mm,陶瓷锥锥角增大约11.67%。陶瓷破碎区域分为粉碎区和裂纹区,粉碎区是以着靶点为中心圆形区域,且陶瓷厚度每增加1 mm,粉碎区面积增大约11.13%。对弹芯和陶瓷碎片统计分析发现,弹芯和陶瓷碎片累积质量分布规律均符合Rosin-Rammler幂率分布函数,且随着陶瓷厚度的增加,平均特征尺寸减小,弹芯与陶瓷的破碎程度增大。

DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则

3,4-二硝基吡唑(3,4-dinitropyrazole,DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药在不同应力状态下的力学性能和失效形式,将对其工程化提供理论和试验支撑。采用美国伊斯特朗(INSTRON)5965万能材料试验机、分离式霍普金森压杆对DNP基熔铸炸药典型配方进行准静态压缩力学性能、动态压缩力学性能以及准静态拉伸力学性能测试,分析添加剂(Cellulose Acetate Butyrate,CAB)含量、应变率等因素对力学性能的影响,研究DNP基熔铸炸药在准静态压缩、动态压缩和准静态巴西劈裂条件下的失效形式。研究结果表明:DNP基熔铸炸药的抗压强度整体随应变率的升高而增加;在准静态加载下,抗压强度随着添加剂含量的增加而降低,而在动态加载下则呈相反的变化趋势,当添加剂含量达到一定值时,熔铸炸药的抗拉强度显著提高;不同加载条件下DNP基熔铸炸药满足的强度失效准则不同,其中准静态压缩符合最大剪应力准则,动态压缩符合最大拉应变准则,巴西圆盘试验符合最大拉应力准则。

小口径活性侵爆弹对油箱的毁伤效应试验研究

利用30 mm口径火炮发射装有PTFE/Al活性材料芯体的弹丸,对炮目距离固定的无防护油箱和10、20、30 mm的不同厚度装甲板靶后防护油箱进行射击。结果表明,侵彻无钢靶防护的0.8 mm厚空油箱及满油油箱无法有效激活活性材料芯体;在油箱前加装装甲板后,弹体内活性材料被激活,并且随着装甲板厚度的增大,活性材料被激活的越充分,但是弹丸穿靶后轴向剩余速度也随之降低;防护装甲板厚度在20 mm左右时,活性材料对油箱的毁伤效应和引燃效果最佳。本研究分析了活性材料弹丸侵彻油箱毁伤增强效应,揭示了活性材料弹丸对油箱目标的毁伤机理,对活性材料研究和小口径活性侵爆弹结构设计有一定参考价值。

活性破片引燃航空煤油实验研究

进行弹道炮发射实验,研究活性破片和钨合金破片作用模拟油箱和引燃航空煤油问题。实验结果表明:在1 080 m/s着速下,活性破片击穿10 mm厚LY12铝靶后能可靠引燃航空煤油,而同质量钨合金破片以1 643 m/s的速度命中油箱,只造成油箱穿孔及漏油,未能引燃燃油;常温状态下,活性破片较钨合金破片具有更强的引燃航空煤油能力,活性破片的内爆作用和化学能释放是造成油箱结构严重破坏和燃油燃烧的主要原因。

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。

弹道冲击下石墨烯和聚乙烯改性芳纶织物的钝伤防护性能

芳纶凭借其轻质高强的特点广泛应用于防弹领域。为提高单层芳纶织物的抗钝伤能力,采用热塑性树脂聚乙烯(Polythene,PE)与石墨烯纳米粒子表面改性方法提升芳纶织物的抗钝伤性能。以背衬凹陷为标准,对不同质量配比改性芳纶织物的抗钝伤能力和能量吸收特性进行测试对比。对比结果表明:石墨烯和PE两种改性方法均可提升芳纶织物的抗钝伤能力,其中PE改性方法使得改性织物面密度增加较小但抗钝伤能力显著提升,10%PE的防弹能力和比吸能值较纯芳纶分别提升了18.0%和30.8%;石墨烯改性织物刚性的增加使其低速抗钝伤能力增强,但是过大的纱线间摩擦使其高速防护能力减弱,2%石墨烯粉体为石墨烯改性织物的最佳配比。此外,优化验证得到了2层10%PE和13层的6层正交超高分子量PE无纬布防弹衣组合设计。

动能弹侵彻土壤混凝土复合介质的试验研究

采用火炮发射动能弹直接撞击土壤混凝土复合靶 ,通过观测试验后的弹靶状态 ,回放弹载加速度存储仪 ,获得弹丸在侵彻过程中的加速度曲线 .分析了弹丸对土壤及混凝土复合介质的侵彻规律 。

步枪弹侵彻明胶靶标的数值模拟

为更好揭示步枪弹与明胶的相互作用过程及作用机理,采用显式有限元方法对侵彻过程进行了数值模拟,通过与实验数据对比验证了模型的有效性和准确性。对弹头在明胶中的受力、明胶中等效应力分布及入射攻角对明胶创伤效应的影响进行了分析。数值结果表明:在窄伤道段明胶阻力增长缓慢,随着弹头的迅速翻滚明胶阻力急剧增长,并导致弹头破碎;明胶中的最大等效应力层始终分布在瞬时空腔的内壁,随着空腔膨胀其影响区域不断扩大,并导致空腔内壁的明胶单元破坏失效;攻角的微小变化对弹头在明胶中的翻滚位置及速度衰减规律影响较大,但随着攻角的增加这种影响逐渐减弱。