超高分子量聚乙烯纤维层合板在斜侵彻下的动态响应与失效行为研究

为了研究弹丸斜入射下超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维层合板的抗侵彻响应,分别在0°、10°与20°的入射角下开展了弹道冲击实验,利用高速摄影捕捉动态响应,并在冲击实验后观察破坏形貌.构建了相应的三维有限元计算模型,通过对比实验结果验证了其可靠性,并基于该数值模型,进一步阐明不同入射角下的UHMWPE纤维层合板抗侵彻机理.结果表明:当层合板受到平头弹丸斜侵彻作用时,弹头局部接触所引发的应力集中使得层合板更容易发生强度失效,但由于层合板的等效厚度增加且弹丸偏转所造成的弹体与层合板接触面积增加,使得入射角的影响与弹丸入射速度有关.当入射速度较低时,层合板的抗侵彻性能随着入射角增大而略微减小;而当入射速度远大于弹道极限时,层合板的抗侵彻性能随着入射角增大而增大.

UHMWPE薄板抗轻武器杀伤元斜侵彻研究

为解决高性能轻质防弹插板受轻武器杀伤元侵彻防护问题,对超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)层压薄板进行了侵彻实验,分析了侵彻后UHMWPE薄板的变形失效特征并对比了轻武器杀伤元的破坏形貌。利用有限元软件LS-DYNA建立了UHMWPE薄板抗轻武器杀伤元侵彻数值模型,通过靶板破坏形态、凹陷深度以及弹头变形的实验结果对数值模型的有效性进行了验证。在此基础上,通过数值模拟方法研究了UHMWPE薄板受弹体斜侵彻失效模式,揭示了3种轻武器杀伤元侵彻下入射角度对跳弹现象和UHMWPE薄板破坏形态的影响规律。结果表明:7.62 mm×25 mm的钢芯弹和7.62 mm×39 mm的普通弹(钢芯)斜侵彻UHMWPE薄板的跳弹角均位于45°~50°范围内;7.62 mm×25 mm的铅芯弹在入射角大于70°时才可完整跳出,其余均以破损弹片形式飞溅,弹体破坏会对跳弹状况产生影响;入射角较小时,斜侵彻子弹会产生面积较大且具有一定深度的弹坑,连续击发的下一枚子弹会更容易击穿弹坑薄弱处的纤维板,斜侵彻作用对薄板受二次侵彻产生不利影响;入射角较大时,子弹会较完整地发生跳弹并具有高剩余速度,会对人员产生二次杀伤。研究成果可为UHMWPE薄板用于轻量化军用防弹插板设计提供参考。

SiC/6061铝/UHMWPE纤维复合装甲抗斜侵彻性能研究

建立SiC/6061铝/UHMWPE纤维装甲数值模型,探讨不同倾斜角度下复合装甲的吸能特性和各结构失效情况,分析多层复合装甲抗7.62 mm穿甲燃烧弹斜侵彻性能。结果表明,倾斜角度为15°左右时复合装甲抗侵彻性能最差,随着倾斜角度的增加,SiC陶瓷层破碎程度增加,UHMWPE纤维吸能最多,且主要失效方式由拉伸变形转变为剪切断裂,靶板倾斜角度在45°时,弹芯磨蚀程度最为严重,质量损失达27.8%。

负载位置对带负载动能杆斜侵彻的影响研究

将超高速动能导弹简化为带负载的动能杆,建立其斜侵彻质心运动方程,据此预测其斜侵彻深度。利用Ansys/LS-DYNA软件对侵彻过程进行数值模拟,通过与理论计算结果对比,验证建立的理论侵彻深度模型的可靠性,分析负载位置对动能杆侵彻过程的影响,并和无负载动能杆进行对比。研究结果表明:负载撞击靶板后导致的靶板翘起会撞击动能杆,甚至使动能杆发生折断,致其侵彻深度下降;负载到动能杆头部的距离越远,翘起的靶板越晚撞击动能杆,负载对动能杆的侵彻影响越小。故设计带负载的动能杆时,应尽量将负载置于动能杆后方,使弹丸的整体质心靠后,降低负载对动能杆侵彻过程的影响。

基于物质点法Ti/Al_(3)Ti层状复合材料抗斜侵彻性能研究

为研究Ti/Al_(3)Ti层状复合材料在弹体斜侵彻下的防护性能以及解决有限元法模拟侵彻过程存在的网格畸变问题,利用物质点法建立了弹体侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的数值模型,模拟了弹体侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的过程,得到的弹道冲击靶板应变云图和弹体剩余速度时程曲线与已有文献结果对比,吻合较好。并基于物质点法模拟了卵形弹以不同入射角度侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的过程。当弹体入射角度θ从0°增加到45°时,弹体垂直靶板方向弹体剩余速度减少,Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的能量吸收率从43.4%增加至99.9%。且当弹体入射角度为45°时,发生了明显的跳弹现象。结果表明:随着弹体入射角度的增加,Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的抗斜侵彻性能提升。

刚性弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板的理论模型

为对弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板弹道和弹体姿态进行快速预估,在开坑阶段基于弹体表面应力分布确定弹体载荷,将攻角作用最明显的开坑阶段细分为弹头进入阶段和完全进入后的剩余开坑阶段,同时考虑斜侵彻时自由表面效应及弹靶接触区域变化对弹体受力的影响,建立弹体带攻角斜侵彻混凝土靶的开坑模型。结合弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型中隧道和剪切冲塞阶段模型,构建刚性弹体带攻角斜侵彻贯穿混凝土靶板理论模型,出靶余速与偏转角计算结果与实验吻合较好。模型对给定工况的计算结果表明,在一定倾角条件下,正攻角会加剧弹体的偏转并降低弹体的侵彻能力,负攻角会抑制弹体的偏转且适当的负攻角可提高弹体的侵彻能力。

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72~0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。

非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究

为研究非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特征,利用有限元软件LS-DYNA开展了圆、椭圆和非对称椭圆截面弹体在800 m/s速度下侵彻钢板的数值模拟研究,分析了着角、攻角和弹靶结构参数对弹体所受动态载荷的影响规律。结果表明:正侵彻时,3种截面弹体受到的轴向冲击载荷基本相似,但非对称椭圆弹体还会在头部和尾部过靶时分别受到横向冲击载荷作用;仅存在着角时,3种弹体的侵彻过程均可分为弹头触靶、弹头穿靶和弹身过靶3个阶段,其中弹身过靶阶段会受到持续载荷作用,弹头和弹尾过靶时也会出现两次横向载荷峰值;正着角条件下,攻角越大轴向载荷越大。攻角为正时,横向载荷首先减小然后反向增大,且缩短了侵彻持续时间;负攻角则加强了着角对载荷的影响,并增加了侵彻时间;截面不对称度大于1时,正着角的影响得到强化。此外,弹体载荷随靶厚的增大而增大,而弹体不对称度和长径比对其动态载荷的影响相对较小。

长杆弹高速撞击陶瓷复合靶的斜侵彻过程与响应特性研究

为研究长杆弹斜撞击陶瓷复合靶侵彻过程及影响因素规律,开展钨合金长杆弹斜侵彻陶瓷/金属复合靶试验,结合数值模拟分析了弹体速度、着角、陶瓷厚度、盖板与背靶厚度等因素对陶瓷防护性能的影响规律.结果表明:当弹体以1100~1300 m/s速度正侵彻陶瓷复合靶时,靶体的防护系数随弹体速度增加而增大.弹体着角为0°、60°时,着角30°对应的陶瓷防护性能最差.当盖板厚度与弹径比为1/3、2/3、1时,陶瓷复合靶的防护系数先线性增大后缓慢减小;当陶瓷厚度与弹径比为11/3,盖板厚度与弹径比为1/3时,对应的靶体防护系数最大.弹体斜侵彻陶瓷复合装甲时,保持装甲面密度不变,随着弹体着角的增大,弹体的剩余速度呈减小趋势,且减小的速度逐渐增大;随着盖板厚度的增加,弹体的剩余速度逐渐增加.

硬目标内弹体斜侵彻状态的基本演化特性

为归纳已有硬目标内弹体斜侵彻受力和运动模型的普遍模式,基于刚性弹假设和弹靶分离思想,将弹体侵彻硬目标的过程视为侵彻力场中的运动。依据侵彻力场的时间平移不变性和关于正侵彻的对称性,推导了不依赖具体受力模型的弹道稳定性和弹体状态参数演化的共有规律。具体地,在正侵彻工况下、弹体完全侵入硬目标时,给出了弹体运动稳定性判据;在斜侵彻工况下或弹体不完全侵入硬目标时,也给出了弹体运动平衡性与稳定性判据的数值求解方法。上述判据均表明弹体速度、角速度和攻角对于弹体侵彻状态演化有重要影响,而攻角的影响最为显著。此外,对于侵彻过程中的任意时刻,还依据分析力学方法证明了侵彻状态演化的封闭性。上述关于弹体运动平衡性、稳定性和状态演化封闭性的推导具有通用性质,可为侵彻试验和仿真工况的设计提供指导。

弹体斜侵彻弹道偏转曲线及轴向过载计算方法

针对弹体在斜侵彻仿真时不能准确获得弹体每一时刻的弹道偏转角度,并且只能获得弹体沿坐标轴方向的过载曲线,而不能获得弹体沿轴向和径向过载曲线的问题,提出弹体斜侵彻弹道偏转曲线及轴向过载计算方法。首先,需要完成弹体斜侵彻靶标的动力学仿真计算,获得弹体沿坐标轴方向的过载曲线及弹体上沿弹体轴向方向任意两点的位移曲线;然后,利用以上数据计算出弹体斜侵彻过程中的弹道偏转曲线及弹体沿轴向和径向的过载曲线。计算结果表明,该方法可以较为准确地计算出弹体斜侵彻靶标过程中的弹道偏转曲线及弹体沿轴向和径向的过载曲线。

穿甲弹斜侵彻钛合金靶板试验与数值模拟研究

为研究穿甲弹斜侵彻钛合金靶板的极限跳飞角度及相关影响因素。开展了7.62 mm穿甲燃烧弹的弹道冲击试验,获取了弹体斜侵彻不同厚度、不同倾斜角度钛合金靶体的极限跳飞角度;同时利用有限元软件LS-DYNA对穿甲弹斜侵彻钛合金靶体进行数值模拟仿真,并与试验数据对比验证模型的有效性;随后讨论了靶板倾角与靶体厚度等因素对弹道性能的影响规律。结果表明:靶板倾角的增大有效降低了穿甲弹的穿甲能力,弹体贯穿后的剩余速度及姿态变化角随靶板倾角的增加而分别呈现非线性下降与上升的趋势;钛合金靶板的极限跳飞角度对靶板厚度敏感,极限跳飞角度随靶板厚度的增加而非线性下降。

弹体斜侵彻多层间隔混凝土靶实验和数值模拟

为研究弹体侵彻多层间隔靶的弹道稳定性问题,设计了钢筋混凝土多层间隔靶,开展了弹体斜侵彻实验,通过高速摄影运动分析系统,得到了弹体侵彻多层靶过程的弹道变化参数.采用LS-DYNA软件,再现了弹体侵彻多层靶实验过程,得到的弹道变化参数与实验结果吻合较好,验证了本构模型的可靠性.同时,数值模拟研究了不同半锥角对尾裙弹体侵彻多层靶稳定性的影响规律,得到了弹道稳定的尾裙弹体最优半锥角.

弹丸头部对斜侵彻弹道偏转影响研究

通过对不同头部形状与组合材料的弹头对中厚钢靶的斜侵彻弹道对比研究,获得了尖卵形、截卵形与内凹截卵形,以及不同截卵位置、弹头长度和头部组合材料弹头对斜侵彻中弹道偏转的影响规律和侵彻过程中受到偏转力矩的变化规律。计算结果表明:截卵形弹弹道偏离角小,抗弹道姿态劣化的能力强,侵彻弹道相对稳定性好;弹头前端复合高密度、高硬度钨合金材料的弹丸侵彻能力强,弹道偏离角小。基于弹道侵彻过程偏转力矩与偏转角的时空演化特点,获得斜侵彻弹道偏转关联性。通过正交试验得到了影响弹道偏离角由大到小的因素分别为:弹头形状、弹头材料和弹速。研究结果可为低速弹丸与金属靶的斜侵彻弹道分析和弹丸头部设计提供一定帮助。

长杆弹对陶瓷复合装甲斜侵彻的数值模拟

该文结合某型陶瓷复合装甲的侵彻实验,利用三维非线性动力有限元程序LSDYNA3D,建立高速钨质长杆弹对多层陶瓷复合装甲侵彻的有限元分析模型,描述了侵彻全过程的有关物理和力学现象,并与实验进行对比,数值结果与实验结果吻合,对进一步研究复合装甲防护及弹体侵彻性能具有一定的参考价值。

弹体斜侵彻硬介质目标的临界跳弹评估方法

弹体斜侵彻硬介质目标过程将发生弹道偏转,甚至发生跳弹。弹体一旦跳弹,使弹体侵入不到目标内部,从而不能对目标形成有效打击。为保证弹体能够有效侵彻目标,需要对弹体侵彻目标的临界跳弹角度进行预测,给出弹体不发生跳弹的角度范围。为此,对弹体斜侵彻硬介质目标的跳弹进行研究,建立了预测弹体斜侵彻目标的跳弹分析评估方法。运用该方法对弹体分别侵彻抗压强度为30 MPa和60 MPa的钢筋混凝土的临界跳弹角度进行计算,并与实验结果进行了对比。结果表明,该方法能比较准确地分析和评估弹体的跳弹角度。

弹体斜侵彻混凝土过程中的方向偏转

利用152 mm轻气炮作加载手段,通过高速摄影系统及靶前镜面反射装置实验观测弹体着靶前飞行姿态及侵彻初期弹尾偏转姿态,得到了弹体着靶前的速度、进入弹坑段及滑移段的弹体速度变化以及在弹坑段水平和竖直方向上的姿态变化情况。提出了方向偏转周期的概念,明确了弹体斜侵彻混凝土材料过程中弹坑段、滑移段和弹洞段弹体的基本力学行为。结合实验数据,得到了方向偏转周期随侵角的变化规律,应用该规律结合半经验分析法能较好地预估斜侵彻弹体的侵深及方向偏转角。

30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合装甲的弹着角效应研究

设计了30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合靶的弹道试验,采用高速摄像记录了弹靶作用过程,研究了弹着角、弹丸位移以及背板变形挠度的图像测量方法,通过仿真验证了该方法的可行性与准确性。基于高速摄像序列图像对弹靶作用过程进行了测量分析,结合试验数据研究了弹着角对半穿甲弹侵彻效能的影响。结果表明:弹着角导致弹丸受靶板的不对称阻力作用,侧向力及侧向力矩使得弹丸在侵彻过程中不断偏转,表现为侵彻路径呈曲线;在相同速度条件下,随着弹着角的增大,侵靶时间延长,背板变形挠度减小,侵彻效能降低。

弹体斜侵彻钢筋混凝土的试验研究

利用轻气炮进行弹体斜侵彻钢筋混凝土的试验研究.通过高速摄影系统及靶前镜面反射装置记录弹体着靶前飞行姿态,得到了弹体对钢筋混凝土靶的斜侵彻破坏效应、弹道轨迹、弹体侵彻深度、开坑直径及弹体横向偏转等参数.试验结果表明,在一定速度下,倾角越大,靶面破坏范围及弹体横向偏转越大,侵彻深度越小,当倾角增至一定角度后发生跳弹现象.钢筋的加入对弹体斜侵彻开坑、破坏范围及弹道偏转有重要影响.

修正的Mohr-Coulomb破坏准则在斜侵彻过程中的应用

以杆弹斜侵彻钢纤维混凝土靶的数值模拟为目标,将HJC模型嵌入了自主开发的动态有限元HVP3D程序中,提出了考虑拉伸破坏、应变率、压力和剪力影响的修正的Mohr-Coulomb破坏准则,模拟靶板的可能破坏情况,并和最大拉应力累积破坏准则的结果进行了比较,发现修正的Mohr-Coulomb破坏准则较好地反映靶板的破坏情况.同时将修正的Mohr-Coulomb破坏准则应用到带攻角的斜侵彻数值模拟中并与实验结果进行了对比.