聚能杆式射流侵彻混凝土和岩石靶体试验与数值模拟

为研究聚能杆式射流成型及其对混凝土和岩石靶体的侵彻破坏特性,分别开展了大隔板聚能装药射流成型X光试验及侵彻混凝土和岩石靶试验。同时,利用ANSYS/AUTODYN有限元软件,针对大隔板聚能装药爆轰波演化过程、杆式射流成型及侵彻混凝土和岩石过程进行了数值模拟,结合试验结果分析了聚能杆式射流对混凝土和岩石靶体的侵彻毁伤特性。研究结果表明:大隔板聚能装药炸药采用Lee-Tarver状态方程能够较为准确的描述爆轰波的传播过程,射流参数(侵彻体长度、射流长度、射流头部速度和射流直径)与试验相比最大误差为12.8%。大隔板聚能装药起爆后可形成大长径比的杆式射流,侵彻后的混凝土和岩石靶中均有明显的开坑区,但侵彻混凝土过程中扩孔作用不明显。其中,侵彻试验中混凝土靶形成的侵彻深度和侵彻孔径相较于岩石靶分别提高了46.7%和48.1%,而岩石靶表面破坏程度和开坑区域均大于混凝土靶。与混凝土靶相比,由于射流侵彻岩石靶过程中裂纹的不断扩展,形成的裂纹长度和宽度均大于混凝土靶,因此靶体损伤范围较大,内部破坏严重。

不同速度段弹体侵彻岩石靶体的理论分析

随着撞击速度的增加,弹体对岩石类靶体的侵彻机制会发生显著变化,由刚体侵彻逐步转变为半流体侵彻和流体侵彻,3种侵彻机制各自适用的理论模型完全不同。在半流体侵彻阶段,弹体质量损失开始显著增加,造成侵彻效率严重下降,侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量与速度的理论模型以及弹体刚体段的侵彻阻抗,推导出考虑弹体质量损失的半流体侵彻深度计算公式。对于超高速撞击时的流体动力学侵彻段,通过对流体区和刚性区进行假定,建立动量守恒和伯努利方程,推导给出该阶段弹体的侵彻阻抗,结合弹体质量变化方程推导出侵彻深度的表达式。最后将3个阶段的理论计算结果与花岗岩侵彻试验数据进行了对比验证,侵深和弹体质量变化规律均吻合良好,而且各阶段模型计算结果反映出的侵彻变化规律与实验结果完全一致。

弹体侵彻岩石-混凝土复合靶数值分析

为研究弹体高速侵彻花岗岩-C60混凝土复合靶板的侵彻规律,通过显示动力学软件LS-DYNA建立了尖卵形弹体侵彻复合靶板的数值仿真模型,分析了不同入射速度,不同靶板倾角下弹体高速侵彻复合靶板作用过程,得出弹体速度、靶板倾角对弹体侵彻复合靶板的影响规律。由仿真结果可得:弹体余速随入射速度的增加呈现先增大后减小的趋势,弹体磨蚀率随入射速度的增加呈现增大的趋势。当弹体入射速度一定时其偏转角随靶板倾角的减小呈现增大的趋势,且弹体侵彻第2层靶板时其偏转角较第1层靶板还有所增加。弹体过载与入射速度呈正相关且与弹体质量磨蚀有关,当弹体弯曲时弹体过载会上升。

应用改进的双剪强度理论分析岩石靶体的弹体侵彻深度

为进一步探讨弹体对岩石靶体的侵彻作用机理,基于对岩石材料的八面体剪应力随平均主应力非线性增加特性的考虑,通过增加平均主应力的非线性项对双剪统一强度准则进行改进。分别采用双剪统一强度理论和改进的双剪强度理论作为岩石材料的强度准则,建立了弹体垂直侵彻岩石靶体的动力球形空腔膨胀可压缩弹塑性侵彻模型,提出了考虑侵彻过程中弹头法向和切向摩擦阻力影响的弹体垂直侵彻岩石靶体的阻力计算公式,进而求得了弹体垂直侵彻岩石靶体的深度。理论分析模型的计算结果与常用侵彻经验公式的计算结果以及野外花岗岩侵彻试验数据的对比分析表明:基于改进双剪强度理论所建立的理论分析模型的计算结果与试验数据最为接近,其主要原因是在靶体强度准则中考虑了八面体剪应力的影响。

基于Hoek-Brown准则的混凝土-岩石类靶侵彻模型

基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法。针对射弹侵彻岩石-混凝土类脆性材料半无限靶问题,基于靶体的弹性-裂纹-粉碎响应模式,粉碎区采用考虑围压的Hoek-Brown准则,得到了准静态球形空腔膨胀的空腔壁压力。在Forrestal两个阶段侵彻模型中,用所得空腔壁压力代替隧道侵彻阶段的侵彻阻力,得到刚性弹侵彻岩石-混凝土类脆性材料半无限靶的侵彻深度预估公式,与文献侵彻试验以及现有典型侵彻深度预估公式比较表明,预估公式适用范围更广,对于(超)高强混凝土和岩石材料靶的预测精度更高。

弹体高速侵彻岩石靶体深度计算

为研究弹体高速侵彻岩石靶体的侵彻机制转化规律,利用二级轻气炮开展了着靶速度1 100~1 780 m/s的模型试验,得到了弹体的质量损失规律,以及侵彻深度与侵彻速度之间的关系。试验结果表明,弹体对岩石类靶体的侵彻机制随撞击速度的增加会发生转化,由刚体侵彻转变为半流体侵彻,进入半流体侵彻阶段后弹体侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量理论模型结合BLZ公式的侵彻阻抗推导出考虑质量损失的弹体高速侵彻深度计算公式。将2个阶段的理论计算结果与侵彻试验数据进行了对比验证,侵彻深度和弹体质量变化规律均吻合较好,能够反映出侵彻机制的变化规律。

弹体高速侵彻岩石效应试验研究

为研究高速动能弹在岩石中的侵彻效应,在高速弹道炮上进行弹体对岩石靶体高速正侵彻的模型试验,试验最高弹体速度为1450m/s,得出侵彻深度与侵彻速度之间的关系,并建立弹体速度不大于弹体极限速度时弹体侵彻深度的经验公式,该公式与试验结果具有良好的一致性。同时,分析模型试验靶体破坏情况,对于一定尺寸的弹体和靶体,不同弹体速度将产生不同的靶体破坏类型。研究高速撞击条件下弹体侵彻能力、侵彻极限速度和质量损失等问题,分析影响弹体极限速度和质量损失的相关因素,可对高速动能弹侵彻岩石的侵深、加速度和质量损失等主要参数进行评估,为弹体战斗部和防护工程的设计提供有力的参考。与在混凝土靶体上的高速侵彻试验进行对比,说明无风化的硬质岩石可以作为良好的防护工程材料。

岩石和混凝土靶在卵形弹撞击下的侵彻研究

研究了岩石和混凝土靶在刚性卵形弹正撞击下的侵彻性能。基于局部化破坏的假设，改进了Wen半经验公式，认为弹体在侵彻过程中受到的平均阻力不再是一个常数，而是一个与瞬时侵彻速度有关的量。与岩石和混凝土靶的实验侵彻深度比较发现，本文的模型预测结果与实验吻合得很好。

超高速武器对地打击效应数值仿真

以流体弹塑性模型为基础,采用SPH无网格方法,对超高速武器打击花岗岩靶体进行数值仿真分析。结果表明:随着靶速度提高,将依次呈现固体侵彻、半流体侵彻、流体侵彻3种现象;出现流体侵彻后,直接侵彻深度大幅减小并趋向固定值,总弹坑深度增幅缓慢,弹体前端形成静高压区,并伴随以塑性冲击波为主的动应力区;亚音速流体侵彻应力波形为双波结构,而超音速流体侵彻应力波形与空气冲击波类似为强冲击波,但衰减指数>2.5,且着靶速度越高,衰减越快。