缩比模型弹侵彻岩石靶尺寸效应试验研究与理论分析

为研究弹体侵彻岩体介质尺寸效应产生的内在机理,开展两种弹形几何相似的钢质弹体对高强度花岗岩靶的侵彻效应试验。根据侵彻深度试验结果,评估常用的经验公式对于高强度岩石侵彻深度预测的适用性,发展以弹形系数和弹径系数为控制变量的侵彻深度计算方法,建立不同缩尺比下模型弹与原型弹侵彻深度换算关系。研究结果表明:模型弹与原型弹的比例侵彻深度存在弹体口径放大效应,该效应系数不仅与缩比系数有关,也与原型弹直径以及靶体材料参数有关,且随着原型弹直径的增大而增大,随着缩比系数的增大而减小;建立的侵彻深度换算关系解释了采用传统模型试验方法导致模型与原型试验结果之间产生误差的原因,揭示了弹体侵彻岩石类介质中尺寸效应产生的机理。

弹体对超高性能混凝土侵彻深度的研究

为了评估超高性能混凝土(UHPC)的抗侵彻性能,对UHPC靶板进行了侵彻试验与数值模拟。首先,利用Φ35 mm火炮对抗压强度为160 MPa的UHPC靶板开展了216~345 m/s速度下的弹体侵彻试验,结果表明:随着弹体速度的增加,侵彻深度与开坑直径皆有明显增加。随后在数值模拟过程中,确立了UHPC的RHT材料模型参数,为了验证材料模型的有效性,采用单轴压缩与霍普金森压杆试验结果对三维有限元模型进行了验证,模拟结果与实验结果吻合良好,表明参数选取科学合理。最后,对弹体侵彻UHPC的过程进行数值模拟,参数化分析了UHPC抗压强度、弹体质量、侵彻速度、弹径、弹头形状对UHPC侵彻深度的影响,并据此推导出弹体对UHPC侵彻深度计算公式。

射孔弹侵彻岩层及能量转化效率研究

为研究射孔弹侵彻岩层的过程及爆炸后能量的分布情况,基于对称罚函数的流固耦合算法及岩层的RHT(Redel-Hiermaier-Thoma)本构模型,借助显式非线性动力学分析程序LS-DYNA,建立了1/2二维射孔弹-空气-岩层对称数值模拟模型,系统地分析了射孔弹在不同的装药类型、药型罩壁厚及锥角下射流侵彻岩层的深度及能量转化情况。研究结果表明:射孔弹主装炸药的爆速和猛度对射流侵彻岩层深度的影响显著;射孔弹炸药的爆速和猛度越高,射流的头部峰值速度越高,侵彻岩层深度越大;射孔弹主装炸药为RDX时,射流的有效能量转化率最大,其次分别为HNS、HMX。药型罩壁厚在0.6~1.5 mm范围内,适当减小厚度,可以提升射流的头部速度及岩层的穿深;但与此同时,射流的有效能量占比将降低,爆轰能量将增大。锥角在55°~70°范围内,适当减小锥角,射流的有效能量转化率及侵彻岩层的深度将增大,爆轰能量转化率将减小。

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.

深地页岩储层聚能射流侵彻及损伤致裂机理研究

为研究地应力对聚能射流侵彻页岩储层的影响,建立了聚能射流侵彻不同围压页岩的准二维模型,采用动态松弛法加载页岩围压分别为0、10、20、30 MPa,分别从射孔深度、页岩孔裂隙形成规律特征和监测点应力变化等方面系统性分析了射流侵彻下的页岩损伤致裂机理。研究结果表明:聚能射流侵彻页岩后损伤区域可以分为完全破坏区、压剪破坏区、拉伸破坏区,围压增加造成破坏区域减小。围压对于页岩射孔深度和损伤致裂效果具有明显影响,无围压下页岩的侵彻深度为600.3 mm,10、20、30 MPa围压下页岩的侵彻深度分别减小至524.3、454.3、446.1 mm,减小幅度分别为12.66%、24.32%、25.69%,更高的围压对页岩孔周裂隙的发育和损伤具有更明显的抑制作用。页岩射孔过程中的峰值压力随着与孔道中心距离增大而快速减小,且衰减速度逐渐由快减慢;随着与侵彻起点距离增大而逐渐减小,减小趋势近似为线性;相同监测点峰值压力随围压增大呈现明显的增加趋势。

战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究

针对战斗部侵彻过程中PBX装药损伤及安定性预测问题,应用PBX炸药微裂纹-微孔洞损伤点火细观模型,研究了战斗部装药损伤演化及热点生成机理,分析了战斗部侵彻过程中不同温升机制对热点生成的影响,对比研究了战斗部前端有无缓冲材料对侵彻过程中装药力学损伤与点火响应的影响规律。结果表明,侵彻混凝土厚靶时战斗部内部装药经历多次压缩-反弹过程,反复加卸载环境使得装药内部的微缺陷损伤加剧累积,包括微裂纹的扩展和孔洞塌缩,进而导致装药头部和尾部的热点产生;微裂纹的摩擦生热为PBX装药主导的温升机制;添加缓冲材料可有效减少装药损伤、热点温升幅值及裂纹热点密度,并能有效降低装药头部的孔洞坍塌温升及宏观体温升。

陶瓷/钛合金复合装甲抗侵彻性能优化设计研究

针对碳化硅陶瓷/钛合金复合装甲的防护性能的优化研究,提出基于Florence模型对复合装甲的抗侵彻性能进行优化设计。基于Florence模型推导4种优化问题相应的隐函数关系式,并给出了解析式求解方法。最后,通过数值法绘制出了面密度和总厚度与弹道极限速度之间的最优解曲线,能够准确预测面密度和总厚度与弹道极限速度之间的最优解。

固体发动机跌落导致异物侵彻过程数值仿真研究

含能材料在撞击、摩擦等刺激下易发生点火甚至爆炸等危险现象,而固体火箭发动机内部含有大量推进剂装药,在导弹发射失败、吊装过程跌落、生产运输过程中的翻覆与碰撞等实际场景中存在安全事故风险,此时发动机受到剧烈撞击,引起装药内部压力变化,甚至造成燃烧爆炸,将会对周围环境和人员造成严重的威胁。针对固体发动机安全性问题,使用数值模拟方法进行研究,特别开展了跌落至凸起地面和跌落伴随金属杆件侵彻等更贴近实际情景的仿真计算,得出了在不同工况条件下固体发动机装药的压力、应力、反应度等结果,经安全性评估认为,本研究中计算的所有工况均不会发生爆炸。

动能侵彻弹体的质量侵蚀模型分析

通过对高速侵彻弹体的质量侵蚀实验现象进行分析,建立了质量侵蚀的工程理论模型,可对动能侵彻弹体头部侵蚀后的头形和质量侵蚀进行预期.讨论弹体质量侵蚀的主要影响因素,认为弹体动能(或质量和速度)以及混凝土骨料硬度对弹体的质量侵蚀有显著影响,给出了更一般化的弹体质量侵蚀与撞击函数Ⅰ的关系.通过图形分析明确弹体的质量侵蚀主要发生于头部,并且侵蚀后的弹头仍接近尖卵形,可以通过头形变化预期弹体的质量损失.

异型侵彻体垂直侵彻半无限靶板的分析模型

针对长径比为20,截面形状分别为三角形和四边形的两种异型杆,在1 600~1 800 m/s速度范围内,开展了其垂直侵彻半无限靶板的试验研究和模型分析,在模型中考虑了弹杆横截面对异型杆侵彻均质靶板的影响。理论与试验结果的对比表明,该理论模型可以较好地分析异型杆垂直侵彻半无限靶板的侵彻特性。

弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程解析模型

在球形空腔膨胀模型的基础上,计入了弹丸直接与钢筋发生碰撞的侵彻阻力,建立了弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程分析模型。与单一空腔膨胀模型和试验数据进行对比,表明了模型的有效性和实用性。并利用此模型分析了配筋直径及网眼尺寸对弹丸侵彻深度的影响。

球形破片侵彻明胶修正力学模型

为了弥补球形破片侵彻明胶力学模型仅考虑惯性阻力和粘性阻力的局限性,该文在现有模型中引入明胶抗力,得出同时考虑3种阻力的修正模型。以Ф4 mm球形破片为杀伤元,根据最小二乘法原理计算参数,确定了最佳的惯性阻力系数和粘性阻力系数。通过与Ф3mm、Ф4 mm、Ф4.8 mm 3种口径球形破片侵彻明胶试验数据的对比分析,验证了模型参数选取的合理性和准确性。结果表明,修正后的力学模型能够更准确地描述3种口径球形破片侵彻明胶的运动过程。

CDM模型及在纤维增强层合材料侵彻数值模拟中的应用

基于纤维增强层合材料的一种三维连续损伤本构模型(continuum damage constitutive model,CDM),采用动态有限元程序LS-DYNA对Kevlar纤维增强层合材料的弹道侵彻过程进行了数值模拟,预测了弹丸的剩余速度以及靶板的变形和破坏模式,给出了弹道冲击下不同损伤模式的分布及演化。通过与实验结果的比较验证了数值计算的有效性和合理性。

弹头侵彻明胶的运动模型

为探讨弹头在肌肉组织中的运动规律,以明胶作为组织模拟物,结合明胶力学性质,在区别攻角和偏角的情况下,建立同时考虑水平和垂直方向弹头侵彻明胶的二维运动模型。以7.62 mm普通弹和5.8mm普通弹为杀伤元,根据龙格-库塔法原理对运动模型进行数值计算。同时,对2种弹丸侵彻明胶实验数据进行了对比分析。分析结果表明,该二维运动模型能够准确合理的描述2种弹丸侵彻明胶的运动过程,具有一定通用性,可为弹药设计和战伤救治提供理论参考。

基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究

利用颗粒离散单元法,研究弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics,Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明:(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限;(3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。

刚性尖头弹侵彻有限厚度金属靶板分析模型

研究了刚性尖头弹以弹速或亚弹速垂直撞击有限厚度塑性金属靶板的侵彻问题。考虑靶板背表面自由边界的影响,建立并求解不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀模型,得到弹头表面径向压力的解析解。引入临界侵彻深度和临界撞击速度概念,提出一个两阶段侵彻模型。基于有限球形空腔膨胀模型,得到临界侵彻深度的解析解和弹体运动微分方程;用Runge-Kutta法求解微分方程,得到侵彻深度和临界撞击速度的数值解。与装甲钢靶板弹道试验数据比较,表明本文理论模型与试验吻合很好。

长杆弹超高速侵彻半无限靶理论模型的对比分析与讨论

分别基于六组典型长杆弹超高速侵彻金属靶体以及三组长杆弹侵蚀侵彻混凝土靶体的实验数据,对经典一维AT模型及其五个改进模型对弹体侵彻深度的预测能力进行了评估,并讨论了靶体等效强度(Rt)变化以及弹体的轴线速度变化。计算结果表明,对于长杆弹高速侵彻金属靶体的分析计算,应首选AW模型,其次为LW模型。而对于混凝土靶体,已有有限的实验数据表明,上述六个模型对于长杆弹侵蚀侵彻混凝土靶体侵彻深度预测均不适用,其主要原因在于Rt不能反映超高速侵彻下混凝土靶体的响应。最后基于分析结果,给出了长杆弹侵蚀侵彻混凝土靶体进一步的研究方向。

弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程模型

在球型空腔膨胀模型的基础上,计入了与弹丸直接发生碰撞的网筋的侵彻阻力,建立了弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程模型。与单一空腔膨胀模型和试验数据进行了对比,表明了模型的有效性和实用性。并利用此模型分析了配筋直径及网眼尺寸对弹丸侵彻深度的影响。

射流侵彻混凝土靶的靶体阻力计算模型与数值模拟研究

针对混凝土材料特性,应用球形空腔膨胀理论,得到了靶体阻力计算模型。通过与实验对比,验证了靶体阻力模型的可靠性。应用AUTODYN-2D程序对不同药型罩锥角条件下的射流形成以及射流侵彻混凝土靶过程进行了数值模拟。通过与闪光X射线高速摄影测量结果的对比,验证了聚能射流形成数值仿真结果的可靠性。通过数值仿真得到射流速度分布,从而得到虚拟原点位置。将数值仿真得到的侵彻空腔孔型与理论分析结果进行对比,二者吻合得很好。结果表明,应用本文空腔膨胀模型计算混凝土靶体阻力是可行的、可靠的。