钢板加筋结构对柱形弹超高速侵彻能力的影响

为在柱形弹体超高速撞击靶板问题基础上进一步研究加筋结构对弹体侵彻能力的影响,在数值模拟方面,结合GRAY物态方程固相-液相模型、Johnson Cook(JC)强度模型以及JC失效模型作为金属本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法开展计算。在实验方面,分别开展圆柱形弹体超高速撞击单层加筋钢板和3层加筋钢板的实验研究。结合数值模拟及实验结果,分析弹体超高速撞击加筋结构的物理机制,研究弹体倾角、弹体攻角、加筋类型、弹体直径与筋厚比对圆柱形弹体侵彻能力的影响,分析圆柱形弹体超高速撞击单层加筋钢板和3层加筋钢板问题中弹道的横向偏移。研究结果表明:在对称撞击下,在单主筋基础上增加垂直方向的主筋或副筋对弹体侵蚀长度的影响较小,弹体侵蚀长度与筋宽比随弹体直径与筋厚比的增加呈指数衰减趋势;在非对称撞击下,弹体轴线与主筋中面夹角大是引起弹体姿态发生明显变化甚至发生断裂的主要原因,而剩余弹体横向运动速度相对入射方向的剩余速度为小量;在连续撞击3层加筋钢板情况下,当主筋边界(相对弹轴远侧)与弹体边界相对弹轴的比例关系在0.6以内时,弹体仍能保持较好的侵彻能力。即使弹体相对主筋存在初始横向偏移,侵彻弹道也不会发生较大的横向偏移。

椭圆截面侵彻弹体爆炸特性试验研究

为研究椭圆截面侵彻弹体的爆炸特性,设计并开展了静爆威力外场试验。将质量为255 kg的弹体竖立于木质托弹架上,质心距地面高度为2 m,采用试验引信起爆弹体装药。通过航拍无人机实时拍摄整个爆炸过程,在长轴和短轴方向布置扇形效应钢板以获取破片数量及穿甲率,采用超压传感器测量距弹轴7、10和12 m处的冲击波超压,并对弹体爆炸后的宏观景象以及火球、破片和冲击波超压特性进行了详细分析。结果表明,火球演化形貌与破片散布区域关于弹体长轴和短轴呈对称分布;火球演化过程分为快速成长阶段、高温稳定阶段以及自由扩散阶段,火球尺寸在爆炸后41.7 ms达到最大,短轴和长轴方向的最大尺寸分别为21.86、19.29 m,且火球在长轴方向发生了明显的二次膨胀;短轴方向的破片尺寸小、数量多、穿甲能力强,而长轴方向的破片特性恰好相反;冲击波超压峰值、冲量及速度均随传播距离增大而不断减小。综合试验结果对比分析,认为椭圆截面侵彻弹体的非轴对称结构和非均匀壁厚对爆炸特性影响较大,是造成火球形貌及破片非轴对称分布的根本原因。

Taylor撞击塑性变形的尺寸效应研究

Taylor撞击是结构冲击问题的一种典型情况,能够将应变率对尺寸效应的影响进行解耦。建立了考虑尺寸效应的Taylor杆变形理论解析模型,开展了系统的不同缩比尺寸下的Taylor撞击实验,结合直接测量、三维扫描和扫描电子显微镜微观分析,对Taylor撞击过程中的尺寸效应进行了量化表征。结果表明:在宏观和微观上Taylor撞击塑性变形均存在尺寸效应,200 m/s撞击速度下,1/2缩比、3/10缩比尺寸的Taylor杆无量纲长度变化量与原型实验的偏差分别为-3.75%、-7.25%,获得的Taylor杆变形公式能够很好地描述Taylor撞击实验的尺寸效应。应变率效应是导致Taylor撞击塑性变形尺寸效应的主要原因,在相同实验条件下,Taylor杆尺寸越小,应变率越高,无量纲塑性变形越小。

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1030~1520 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1030~1390 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1390~1480 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1480 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。

低速弹体贯穿钢筋混凝土多层靶的破坏特性

为获取大尺寸弹体对4层钢筋混凝土薄靶的贯穿破坏特性,开展了实验与仿真研究。以300 mm口径平衡炮作为发射平台,驱动280 kg截卵形弹体以337 m/s低速正贯穿4层抗压强度为41.8 MPa的钢筋混凝土薄靶,发现靶板破坏区域由锥形前坑区和后坑区组成。在此基础上建立了弹体正贯穿钢筋混凝土薄靶的破坏模型,并对破坏特性相关因素进行了分析。建立了有限元数值仿真模型,采用有限元分析软件LS-DYNA对整个贯穿过程进行了计算。将数值仿真结果与实验结果进行了对比,结果表明:速度及动能消耗最大误差分别为0.82%和6.21%,一致性较好;建立的数值仿真模型可用于弹体对多层靶侵彻能力的预估。

侵彻弹体快速烤燃安全特性实验研究

为了考核大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性,利用自行研制的快速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平吊在距航空燃油液面0.4 m的高度进行快速加热,实时采集弹体表面温度并拍摄实验过程,同时测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波超压,最后从加热时间、弹体表面温度、实验后现场破坏情况、反射冲击波超压峰值、反应机理及响应类型等方面对大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性进行了详细分析。实验结果表明:侵彻弹体在537℃高温中加热16 min 4 s后开始发生剧烈反应,且弹体内腔下方炸药最先响应形成热点,逐渐积聚的高温高压气体将壳体撕裂后快速泄压,在7 m处测量得到的反射冲击波超压峰值为33.622 kPa,远小于该弹体在空气中完全爆轰产生的冲击波超压峰值。综合判断该侵彻弹体的快速烤燃响应类型为爆燃,其安全特性满足要求。

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820~1195 m/s速度撞击强度为31.0~43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2~2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量(绝对值)。

聚能战斗部水下爆炸载荷特性

为研究聚能战斗部水下爆炸产生的冲击波及侵彻体的载荷特性,建立聚能战斗部水中自由场爆炸及侵彻含水夹层复合靶的数值仿真模型,获得冲击波强度和测点相对位置的关系,研究有、无药型罩下战斗部对含水夹层复合靶的毁伤差别及冲击波、聚能侵彻体的毁伤效果。结果表明:聚能战斗部水中爆炸冲击波强度在相同爆距下与空间位置有关,但差距不大,聚能侵彻体利用炸药的部分能量形成集中于一个方向的强动载荷。

挤压态和时效态U-Ti合金动态压缩及绝热剪切性能研究

用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对挤压态和时效态U-Ti合金进行动态压缩和剪切加载,获得其Johnson-Cook(J-C)本构模型,利用光学金相显微镜观察试件剪切前后的显微组织。结果表明:两种合金均表现出应变率强化效应,屈服应力随应变率的增加而增加;时效态比挤压态的U-Ti合金屈服应力高、绝热剪切敏感性高;时效态U-Ti合金强迫剪切区内出现白亮色的绝热剪切带(ASB),宽度为微米量级,ASB充当裂纹相互连接的桥梁,观察到裂纹尖端沿ASB边缘扩展,结合ASB的典型显微结构,推测在冲击载荷下,ASB边缘强度最低。

侵彻弹体慢速烤燃响应特性实验研究

为考核全尺寸侵彻弹体的慢速烤燃响应特性,利用自行研制的慢速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平放在慢烤箱中以3.3℃/h的升温速率缓慢加热,实时采集弹体表面温度曲线并拍摄整个实验过程,测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波峰值超压。实验结果表明:全尺寸侵彻弹体在加热42 h45 min23 s、温度达到约190℃时发生燃烧,41 s后发生了更为剧烈的反应,弹体和慢烤箱被炸裂成大块破片;通过反射冲击波超压峰值反推弹体剧烈反应时对应的等效裸露装药当量为4.153 kg,远小于实际装药当量和完全爆轰时的等效裸露装药当量;从加热时间、弹体表面温度、实验现场破坏情况、反射冲击波峰值超压、反应机理等方面综合判断该侵彻弹体的慢速烤燃响应类型为燃烧转爆炸。