高速动能弹撞击装甲结构引起的螺栓连接失效及部件过载损伤研究

目的 验证和揭示高速动能弹对装甲结构的损伤机理。方法 聚焦高速动能弹打击装甲目标时,弹道冲击造成的靶标结构连接失效及部件过载损伤这2种损伤效应,以典型螺栓连接为研究对象,采用高速球形弹丸撞击螺栓连接结构的小尺寸试验对数值模拟方法和材料模型参数进行校验。在此基础上,采用数值模拟和冲击响应谱分析方法对高速动能弹打击全尺寸坦克进行模拟分析,获得撞击过程螺栓连接失效特征、主要影响因素及坦克典型位置部件的冲击加速度曲线和冲击响应谱曲线。结果 在小尺寸试验中,动能输入为0.042MJ时,螺栓连接未发生失效;但25.6MJ动能输入全尺寸坦克时,螺栓发生断裂而使连接失效。数值模拟结果揭示了螺栓发生断裂的主要原因。结论 输入动能大小、连接螺栓直径、模拟设备部件质量和撞击位置为螺栓是否断裂的主要影响因素。坦克某些位置的冲击响应谱曲线高于军用标准给出的临界曲线的下限甚至上限,表明这些位置的部件因高过载损伤导致失效的概率较高。

驱动气体的密度梯度对弹丸发射速度的影响

为进一步提升轻气炮的发射能力,提出采用梯度气体替代单一氢气或氦气作为驱动气体的方法,通过对等直径发射器进行分析,建立了弹丸在梯度气体驱动下的加速运动模型,对比了氖-氦梯度气体驱动与单一氦气驱动的发射能力差异,分析了梯度气体参数对发射性能的影响。结果表明,与单一氦气驱动相比,氖-氦梯度气体驱动能够提升0.4~1.4 km/s的发射速度或降低0.2~0.9 GPa的发射过载;气体的密度和活塞的运动速度对发射速度和过载的影响最大,气体压力和多方气体指数的影响次之;梯度气体中,高密度气体应选择多方气体指数和密度较高的气体(如氖气、氩气等);梯度气体界面位置(高密度气体占比)对发射速度的影响不大,但高密度气体占比少有利于降低弹底压力。

非轴对称结构约束下破片飞散特性的试验和仿真研究

为了研究爆炸变形式破片战斗部变形型面与破片飞散特性的关系,对113mm口径的D型结构型面约束下的破片飞散特性进行了试验,并采用LSDYNA软件对内凹、外凸和D型等三种型面约束下破片的飞散特性进行仿真研究,获得了破片的空间分布特性和初速随方位角的分布规律。结果表明,D型结构的破片主要聚焦在目标方向±10°范围内,且偏心起爆的聚焦效果略好于中心起爆;不同起爆方式下目标方向的破片初速相差不大,都是随方位角的增加而降低;不同型面约束下破片飞散偏折角与爆轰波入射角之间近似满足不同斜率的线性关系。最后根据该线性关系特征提出了能够计算不同型面下飞散偏折角随入射角变化的工程计算式。

弹目交会中破片命中点参数计算模型研究

为了计算战斗部破片命中点参数,在考虑速度衰减条件下,利用射击线法提出了一种通过一次遍历求解所有破片命中点参数的计算模型.通过分析,获得解的3种存在条件,分别对应于单枚破片与目标面元的3种运动关系.以钢球破片为例,定量讨论了弹目交会参数和速度衰减系数对命中点参数的影响.结果表明,目标的运动速度和静态破片初速对命中点参数的影响比较大,导弹运动速度对命中点参数的影响较小.

爆轰波斜冲击作用下破片飞散特性研究

为研究非对称结构战斗部的破片飞散特性,利用斜激波理论对爆轰波作用于壳体表面的过程进行研究,并利用自由面速度倍增定律对波在自由面反射后质点速度的计算进行简化,得到了破片飞散角的计算模型。利用D型战斗部试验数据对计算模型进行验证,结果表明,斜激波理论计算得到的破片飞散与试验结果吻合很好;当入射角较小时,壳体飞散角与入射角成线性关系。

镁合金弹丸10 km/s撞击铝靶成坑特性实验

为获得10 km/s超高速撞击成坑特性,采用内爆发射器开展了长径比l/d_(p)为1/2、直径d_(p)为0.8 cm的镁合金弹丸撞击厚5 cm铝靶的超高速撞击实验,获得了铝靶的撞击成坑尺寸和形貌特性,结合文献数据,分析了成坑形貌与8 km/s以下速度撞击坑的差异和弹丸长径比、速度、动能对成坑尺寸的影响。结果表明:典型的撞击坑不仅包含中心成坑区,还包含了破坏区,成坑区近似半球形弹坑,破坏区为自由表面剥落形成的浅坑;坑深P_(c)/d_(p)为1.5-2.0,坑径d_(c)/d_(p)为3-3.5,坑形系数P_(c)/d_(c)为0.50,成坑效率E/V_(c)均值为3.74 kJ/cm^(3);对于l/d_(p)≤1的弹丸,采用等效直径对坑深进行归一化,归一化后坑深与长径比无关,与速度的2/3次幂成线性关系。

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。

转速和着速对PELE横向效应的影响

采用AUTODYN-3D软件对横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻金属靶板的过程进行数值模拟。通过分析不同转速和着速下PELE弹丸的剩余速度、靶板扩孔直径、破片的质量-数量分布和破片飞散角情况,得到PELE弹丸的横向效应随转速和着速的变化规律。研究结果为PELE弹药转速和着速的设计提供参考。

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0~6.5km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_(p)、无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)、表面损伤面积等效直径D_(e)等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_(p)和无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_(e)与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。

D字形预制破片战斗部破片能量分布特性

为了分析非对称结构在爆炸作用下的能量输出规律,文中以D字形结构为研究对象,对其在端部偏心和中心起爆下的破片飞散特性进行了实验研究,同时结合有限元计算软件LS-DYNA对5种不同结构在不同起爆方式下的破片飞散过程进行数值模拟,获得了破片能量分布规律。研究结果表明：双端面偏心起爆为D字形结构起爆的最优方式,横截面直线部分对应的圆心角介于90°-120°间时毁伤效果更好。

战斗部最佳起爆延时的计算模型及其应用研究

为确定战斗部最佳起爆延时,通过巧妙地建立坐标系,提出一种考虑破片速度指数衰减的计算模型.对共面交会条件下战斗部最佳起爆延时进行计算,得到了战斗部最佳起爆延时随弹目交会角的变化规律,及威力半径为9m时战斗部的作用范围.结果表明,随着弹目交会角的增加,最佳起爆延时存在一个极大值,且战斗部的作用范围趋近于战斗部威力半径.

导弹目标在可变形战斗部作用下毁伤特性的数值仿真研究

基于强度等效法对导弹目标各个关键部件建立等效模型,通过对可变形战斗部的一体化作用过程进行数值仿真,得到了目标在可变形战斗部作用下的毁伤图像.结果表明,可变形战斗部在目标方向的破片密度增益比较明显,能对目标造成严重毁伤;在自然破片和预制破片共同作用下,目标各部件发生不同程度的变形,对于等效壳体较薄的制导舱和发动机舱段,壳体变形较为严重.

钢针击穿玻璃的实验验证与数值仿真分析

为了验证徒手投掷钢针击穿玻璃的可能性,通过一级气体炮加载实验和AUTODYN数值仿真方法,研究了在普通绣花钢针以数十米每秒的速度撞击下玻璃的损伤情况和弹道极限速度。结果表明:玻璃的破坏区集中在撞击点附近,并在玻璃背面形成锥形坑;钢针击穿玻璃的弹道极限速度与钢针质量、针头形状、玻璃厚度和撞击角度密切相关,并且随着玻璃厚度和撞击角度的增加而增大,随着钢针质量的增加而减小。当钢针速度达到30m/s、撞击角度控制在10°以内时,手掷0.35g绣花钢针可以击穿1.6mm厚的玻璃;钝头钢针比尖头钢针更容易穿透玻璃,且钝头钢针撞击玻璃时,玻璃以剪切和拉伸破坏为主。

PELE弹丸壳体的损伤断裂模型

结合横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻金属靶板的数值模拟结果和实验结果,将PELE弹丸壳体膨胀断裂过程分为加速膨胀和匀速膨胀两个阶段。在封加波提出的损伤度模型的基础上,推导得到PELE弹丸壳体的损伤断裂方程;并通过PELE壳体断裂实例计算了PELE弹丸壳体膨胀断裂过程的参数,分析了弹丸着靶速度与壳体断裂之间的关系,为PELE弹丸设计提供了理论指导。

填充介质圆柱壳在侧向爆炸冲击作用下的变形型面研究

对填充介质圆柱壳在侧向爆炸冲击作用下的变形型面进行了实验研究,获得了圆柱壳的最终变形型面。基于刚塑性动力学中的塑性铰理论建立了相应的分析模型,将圆柱壳划分为多个首尾相连的刚性方杆,利用方杆的平动、转动描述圆柱壳的变形过程,详细推导了相邻方杆间弹簧力、弯矩和偏折角等的表达式,考察了侧向炸药覆盖宽度和圆柱壳初始速度等因素对变形型面的影响。研究结果表明:所建立的分析模型能够有效地预测圆柱壳的变形型面,侧向炸药覆盖宽度和爆轰威力是影响圆柱壳最终变形型面的关键因素,可通过调整侧向炸药的覆盖宽度和圆柱壳初始速度实现不同的圆柱壳变形型面。