一种混凝土侵彻弹道计算方法研究

文章通过侵彻弹载测试实验,测试混凝土侵彻弹在侵彻过程中的负加速度,拟合出混凝土介质界面压力和密度的关系;应用理论分析、实验测试、数值计算等方法,对侵彻弹侵彻混凝土过程进行研究,对不同种类或状态的目标介质,应用弹载侵彻试验方法测得弹靶界面压力,可计算出侵彻弹道;在分析侵彻机理的基础上得出侵彻计算方法。

弹头形状对侵彻多层靶弹道的影响

为了提高侵彻弹斜侵彻多层混凝土靶过程弹道稳定性,提出了头部刻槽形弹体结构和尖卵形弹体结构设计。基于LS‑DYNA软件开展数值模拟计算,并进行了两种弹体侵彻10层混凝土靶试验。研究表明:在侵彻单层混凝土薄靶的过程中,随初始攻角增大弹体姿态偏转角度增大,刻槽形弹体相对尖卵形弹体姿态偏转相对较小。对比侵彻10层混凝土靶试验结果,刻槽形弹体相对尖卵形弹体可显著减少弹体偏转姿态,具有较好的侵彻弹道稳定性。

复合式侵彻体斜侵彻多层钢靶弹道研究

为优化弹体头部外形,减小侵彻过程头部侵蚀对弹道偏转的影响,进而提升弹体斜侵彻多层靶弹道稳定性,设计了一种复合式侵彻体,利用ANSYS/LS-DYNA,计算了复合式侵彻体以500~800 m/s速度侵彻3层间隔钢靶的弹道偏转情况,对比了复合式与整体式侵彻体弹道偏移量,探讨了帽罩材质对复合式侵彻体弹道的影响机制,并进行了实验验证。结果表明:在500~800 m/s速度范围内,复合式侵彻体侵彻各层及最终弹道偏移量均明显小于整体式侵彻体,随着侵彻速度由500 m/s增加至800 m/s,弹道稳定性分别提升54%、50%、60%和32%;在500 m/s侵彻速度下,35CrMnSiA帽罩复合式侵彻体弹道偏移总量略小于93WNiFe帽罩复合侵彻体,当速度增大至800 m/s时,93WNiFe帽罩复合式侵彻体的弹道最终偏移量小于35CrMnSiA帽罩复合式侵彻体。

弹体斜侵彻多层间隔钢靶的弹道特性

为分析弹体斜侵彻多层间隔靶的弹道特性,开展典型卵形弹体不同入射角侵彻多层间隔钢靶试验和数值模拟研究。利用有限元软件LS-DYNA建立弹体斜侵彻多层间隔钢靶数值仿真模型,分析弹体斜侵彻多层间隔钢靶作用过程,得出弹体入射角、弹体速度、靶体厚度及弹体变形对多层钢靶侵彻弹道特性的影响规律并进行了试验验证。结果表明:弹体入射角越大,侵彻弹道偏转越大;初始速度越大,弹体斜侵彻多层间隔钢靶偏转角度越小,且速度对偏转角的影响幅度随速度增大呈减小趋势;随着靶体厚度增加,弹体斜侵彻多层间隔钢靶弹道由整体向下偏转转变为整体向上偏转;靶体厚度对偏转角的影响幅度随靶体厚度增大呈增大趋势;刚性弹体斜侵彻多层间隔钢靶弹道偏转角度比变形弹小。

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°~20°倾角、850~950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°~90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。

UHMWPE球面层合板弹道侵彻性能研究

进行了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)平面层合板、平面夹芯结构以及球面夹芯结构的弹道侵彻实验研究,发现凸球面结构的抗侵彻能力低于平面结构,根据实验现象对球面结构初始曲率的不利影响作了初步分析。应用DYTRAN软件对不同曲率的UHMWPE层合板弹道侵彻进行了数值仿真,分析了层合板曲率对弹道性能的影响规律,认为曲率对层合板变形的限制作用以及由此导致的应力集中是造成抗侵彻能力下降的主要原因。

叠层靶板的弹道侵彻数值仿真

结合v50 弹击实验和侵彻形貌及纤维断口分析 ,本文采用非线性动态显式有限元分析软件ANSYSLS DYNA5 .6 .1仿真了几种复合材料防弹靶板的抗弹道侵彻过程 ,弹头采用标准 1.1g模拟弹片。进而分析了靶板在此类弹击下的破坏机理和吸能方式 ,定性地对靶板的选材、铺层顺序、层数和制造工艺等提出合理化建议 ,主要是沿靶板厚向应采用非均匀的三段式结构和工艺 ,从而有望为军盔。

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。

叠层靶板弹击实验及弹道侵彻机理的数值模拟研究

为了提高军盔等防护装备的防弹性能,采用非线性动态显式有限元分析软件ANSYS/LS DYNA5.6.1模拟了几种复合材料防弹靶板的抗弹道侵彻过程,弹头采用标准1.1g模拟弹片。结合v50弹击实验分析了靶板在此类弹击下的破坏机理和吸能方式,对靶板的选材、铺层顺序、层数和制造工艺等提出合理化建议,主要是沿靶板厚向应采用非均匀的三段式结构和工艺。

三维编织复合材料抗侵彻性能——准静态侵彻实验与弹道侵彻有限元计算的对比

用钢制圆柱锥体对四步法三维编织芳纶/环氧复合材料在MTS材料试验机上作准静态侵彻测试,得到准静态侵彻载荷一位移曲线,并由此计算得到侵彻功一位移曲线。在对复合材料侵彻破坏的细观观测中发现,复合材料主要以拉伸断裂方式为主并在受侵彻面伴有压缩和剪切破坏。由于弹道侵彻破坏很难测量侵彻过程中的侵彻功随侵彻位移的变化,这里用有限元程序LS-DYNA960并结合由准静态得到的破坏判据、复合材料力学性质常数模拟动态侵彻,对比准静态侵彻功一位移曲线和弹道侵彻模拟曲线,两者有较好的一致性,表明用该类复合材料的准静态侵彻性能模拟弹道侵彻性能有一定的可行性。

双轴向经编针织复合材料的弹道侵彻破坏

通过真空辅助树脂传递模压法（VARTM）制造双轴向经编针织复合材料。在350～750m/s冲击速度范围内对复合材料作弹道冲击测试，得到弹体的入射速度、剩余速度及动能损失，弹体的剩余速度与入射速发近似满足线性关系，动能损失随弹速的增加呈现先上升后下降的状态。考察复合材料靶体的弹道侵彻破坏损伤形态，发现复合材料受弹面的破坏区域较子弹出射面的破坏区域小且破坏形态不同，由此揭示双轴向经编针织复合材料的弹道侵彻破坏模式与机理。

三维角链锁机织物弹道侵彻性能实验研究

选用一种三维角链锁组织结构进行实弹侵彻测试,研究三维角链锁机织物的弹道侵彻性能。实弹测试时,由靶道两侧两对发光二极管测试弹体入射速度与剩余速度,并结合弹体和织物靶体几何结构参数计算三维角链锁机织物的弹道侵彻性能指标,从而预测三维角链锁机织物的弹道侵彻性能。实弹测试后采用微距相机观察织物靶体实弹侵彻后的变形与破坏,从而揭示三维角链锁机织物的能量吸收机理。

弹箭侵彻器对土壤和岩石的侵彻机理研究及弹道计算

借助空腔膨胀理论研究和分析了弹丸及火箭侵彻器对岩石和土壤的侵彻作用机理，从而建立了相应的弹道计算模型，并通过算例验证了该模型的正确性。

弹道侵彻下透明复合装甲动态变形参数的测量分析

基于弹道试验系统和全光纤位移干涉测速系统(AFDISAR),对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚碳酸酯(PC)、玻璃/PC两种结构的透明装甲样品开展弹道侵彻下变形速度、变形位移、应变、应变率等参数的测量试验。结果表明,样品在弹击形貌上均表现出以弹着点为中心向外扩展的破坏,在AFDISAR有效测量的数据区间内,样品测点的变形速度均呈先增大后减小的趋势,且沿中心测点径向递减,测点的变形位移、应变均呈现逐渐增大趋势;样品测点附近应变率整体呈增大趋势,PMMA/PC结构样品的应变率曲线存在两极点,玻璃/PC结构样品的应变率曲线存在波动,极点或波动出现的时刻均与测点变形速度达到最大值的时刻相关,与样品主要抗弹机理发生转变的时刻相关。与玻璃/PC结构样品的试验结果相比,PMMA/PC结构样品测点的最大变形速度高、最大静态变形位移大,PMMA/PC结构样品在相同应变下的应变率高,此外,两样品相应测点达到最大变形速度的时间相近。相关测试方法和测试数据对透明复合装甲的研发及防护结构的设计、仿真、性能评估等具有支撑作用。

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet,YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程,并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用,其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好,可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。

长杆弹超高速侵彻砂浆靶临界速度的实验和计算

为了研究高强度合金钢长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,开展了30CrMnSiNi2A长杆弹以初速度1381~1879 m/s侵彻半无限砂浆混凝土靶的实验。实验结果表明:靶板的开坑直径、开坑深度、开坑体积以及弹道孔径与侵彻速度呈近似线性关系;当侵彻速度小于1724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而增大;当侵彻速度大于1724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而减小;当速度为1724 m/s时,侵彻深度达到最大。靶板的剖分结果显示:当长杆弹超高速侵彻靶板时,弹体着靶时微小的倾角会导致侵彻弹道发生严重的偏转,呈现为“J”字形弹道。基于实验结果,在考虑长杆弹头部变形的基础上利用修正的A-T模型,得到了长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,分析了不同的弹靶参数对临界速度的影响,并结合实验数据,验证了理论模型的可靠性。

织物及其复合材料的弹道冲击性能研究进展

本文总结了近年来织物及其复合材料弹道冲击性能研究的进展以及发展现状,详细分析了不同纺织结构的织物及其复合材料对弹道冲击损伤机理以及吸收能量机制的影响,阐述了目前弹道侵彻分析模型以及数值模拟计算的现状,对优化弹道防护材料设计进行了探索,对弹道防护材料的开发进行了展望。

三维正交机织复合材料的弹道性能和破坏模式

利用球形弹和柱形弹对Kevlar/乙烯基树脂和E-玻璃纤维/乙烯基树脂三维正交机织复合材料进行弹道实验。结果表明,材料对球形弹的抗侵彻能力比对柱形弹的强;Kevlar/乙烯基树脂比E-玻璃纤维/乙烯基树脂具有更好的抗弹侵彻性能;迎弹面以压缩剪切破坏为主,而背面则以纤维拉伸破坏模式为主;z向纤维的存在,提高了三维正交机织复合材料的面内强度,使之不易发生分层、鼓包等破坏现象,其结果使得面内吸能为其主要吸能机制。

热塑性树脂基体对超高分子量聚乙烯纤维复合材料力学性能和抗弹道侵彻性能的影响

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道响应及力学行为的影响。研究结果显示:相比单一的热塑性树脂体系,以热塑性树脂混合体系作为基体制备的UHMWPE复合材料具有更优异的抗弹道侵彻性能、更高的拉伸破坏强度和层间剪切破坏强度,这是由于混合树脂体系中的UHMWPE纤维具有更高的可利用效率;此外,基于横向压缩诱导的间接张力机制和弹道侵彻下的大变形行为诱导的膜力效应,UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度呈现正相关的关联机制。