弹体侵彻超高性能混凝土反弹效应理论初探

为了探究弹体在侵彻超高性能混凝土过程中弹体出现的反弹现象,基于空腔膨胀理论,分析了弹体从侵彻到反弹全过程的受力情况;分别以一维弹性杆弹性势能模型和一维应力波模型为理论基础,推导得到两种反弹速度的解析解,分析了影响反弹速度的物理量;通过数值模拟复现了弹体反弹现象,验证了理论模型的合理性,数值计算结果和两种解析解吻合良好。研究表明:侵彻阻力使弹体积累变形势能,侵彻结束后变形势能释放造成弹体反弹;反弹初速与着靶速度无关,与靶体材料的屈服强度和弹头形状系数等成正比,与弹体弹性模量和密度成反比。

弹体侵彻混凝土数值模拟失效指标研究

利用单个立方体单元压缩和拉伸数值模拟揭示了HJC混凝土模型的抗压,抗拉和损伤特性,将该模型用于模拟Hanchak侵彻试验,采用最大主应变,等效塑性应变和最大拉静水力三种失效模式后得到的残余弹速和靶板破坏现象与试验结果对比后,最大主应变和拉静水失效得到的弹体残余速度误差比等效塑性应变失效要小,等效塑性应变失效得到的靶板表面破坏现象与实验结果也相差较大。

PBX装药弹体侵彻混凝土薄板的数值模拟

为探究浇注型高聚物粘结炸药(PBX)装药在弹体侵彻过程中的力学响应和损伤分布情况,将孔隙压塌损伤、炸药晶体破碎损伤和粘结剂脱粘三种损伤形式的演化规律引入粘弹性本构模型,拟合了浇注型PBX在不同温度下的低应变率至中高应变率的力学响应,利用动力有限元数值软件模拟了含装药弹体侵彻混凝土靶板中炸药的力学损伤响应,分析了炸药应力波的传播、压力分布和三种损伤分布及演化。结果表明,加载初期炸药装药的头部承受较大的压缩应力,当应力波传播至尾部反射回拉伸波时,由于弹体的惯性作用,装药尾部和壳体内表面发生撞击,迅速形成高压区,压力高至0.25 GPa,因此装药头部和尾部损伤较为严重,应作为重点防护区域。

基于惯性开关的弹体侵彻目标入靶速度计算

针对火箭侵彻弹药入靶速度散布较大的问题,本文提出了一种利用惯性开关响应时间来计算弹药入靶速度的方法,实现了实时计算侵彻入靶速度及精确控制侵彻深度的目的.介绍了入靶速度的计算方法,并利用靶场回收的数据进行了验证,发现该方法具有一定的准确性及应用参考价值.

混凝土板受弹体侵彻的球形扩孔分析

本文把受刚性弹体冲击的混凝土材料的性质以线性闭锁流休静力来近似，材料的剪切强度根据文献「１」的试验结果简化为折线；

基于板厚补偿的921A钢与Q345钢靶板在截卵形弹体侵彻下的等效方法

对于弹体侵彻舰船靶标试验,由于船用特种钢材较为昂贵,试验成本过高,开展普通船用钢材替代船用特种钢材的等效性研究。为确定不同材料靶板之间的等效关系,基于剩余速度相等原则,采用量纲分析及补偿模型的方法,提出基于补偿模型的材料等效工程化设计公式。该公式中等效板厚与原型板厚之比和等效板屈服强度与原型板屈服强度之比要满足幂指数关系,而幂指数系数要通过实验或仿真方法确定。运用有限元分析软件LS-DYNA对截卵形弹体垂直侵彻921A钢和Q345钢均质靶板过程进行数值仿真,结果表明计算结果与实验结果吻合较好,验证了数值仿真方法的正确性。通过对数值仿真计算得到的等效板厚拟合,提出两种材料靶板等效板厚与动态屈服强度之间的经验公式,并验证了补偿模型公式的有效性。为舰船靶标侵彻实验的等效靶设计提供了理论依据和数据参考。

3D打印成形弹体侵彻钢板的实验研究

采用金属3D打印技术,设计了一种头部风帽与壳体复合的弹体结构,对传统机械加工和3D打印成形两种方法制造的弹体进行了高速侵彻钢板的实验研究。结果表明,相比较传统机械加工技术,3D打印技术制造的壳体也能保障侵彻弹体顺利贯穿多层钢板,且保持弹体结构和功能正常,该技术可为实际工程中侵彻壳体的大批量、短周期试制提供快捷、扎实条件保障。

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。

侵彻弹体尖卵形头部形状对偏转力矩的影响

针对尖卵形头部弹体斜侵彻多层靶时弹道发生偏转的问题,建立了着重分析尖卵形头部形状系数对头部侵彻时产生的偏转力矩影响的理论计算模型和试验研究方法,提出了头部侵彻阻心位置,计算了头部偏转力矩在一定侵彻条件下随头部形状系数的变化规律。结果表明,偏转力矩随形状系数变化存在拐点,拐点前偏转力矩随形状系数增大而增大,拐点后偏转力矩随形状系数增大而减小;弹体半径和着角增大,偏转力矩随形状系数变化的幅度上升;侵彻速度增大,偏转力矩随形状系数变化的幅度下降;弹体头部侵彻仰靶时产生“抬头”偏转力矩,侵彻俯靶时产生“低头”偏转力矩。

弹体斜侵彻弹道偏转曲线及轴向过载计算方法

针对弹体在斜侵彻仿真时不能准确获得弹体每一时刻的弹道偏转角度,并且只能获得弹体沿坐标轴方向的过载曲线,而不能获得弹体沿轴向和径向过载曲线的问题,提出弹体斜侵彻弹道偏转曲线及轴向过载计算方法。首先,需要完成弹体斜侵彻靶标的动力学仿真计算,获得弹体沿坐标轴方向的过载曲线及弹体上沿弹体轴向方向任意两点的位移曲线;然后,利用以上数据计算出弹体斜侵彻过程中的弹道偏转曲线及弹体沿轴向和径向的过载曲线。计算结果表明,该方法可以较为准确地计算出弹体斜侵彻靶标过程中的弹道偏转曲线及弹体沿轴向和径向的过载曲线。

弹体长径比影响钢筋混凝土侵彻规律的数值研究

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对相同初始条件下(初始位置相同,初始速度和实始动能相同),对长径比分别为1.5、2.5、4、5四种弹体侵彻钢筋混凝土靶板进行了数值分析。研究表明,弹体速度在两层钢筋网附近时下降很快,弹体长径比在这两个阶段对速度变化影响很大。弹体长径比为5时,剩余速度增量已经很小,再增大长径比对侵彻速度变化影响很小。

弹体垂直侵彻钢筋混凝土数值模拟

详细总结了Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)混凝土模型,采用标准立方体单轴拉伸和单轴压缩数值模拟揭示了模型基本特性,并将该模型用于弹体侵彻钢筋混凝土数值模拟,钢筋混凝土靶板前后表面的层裂破坏和内部断裂破碎现象均得到了较好反映,计算得到的弹体残余速度和实测值吻合较好,数值模拟还表明钢筋作用和混凝土模型相似角对弹体残余速度影响较小.

弹体对岩体侵彻深度研究

在军事工程中通常选择岩体介质作为防武器破坏的天然屏障，研究弹体在岩体介质中的侵彻有重要的现实意义。本文从试验研究，理论分析，数值模拟３个方面介绍弹体对岩体介质侵入研究进展情况，并且详细分析各种方法之间的异同。

弹着点对钢筋混凝土侵彻深度的影响

在弹体侵彻钢筋混凝土研究领域,侵彻深度的离散性普遍存在于试验和经验公式中,弹着点位置的不同是造成此离散性的主要原因之一.为探究由弹着点位置造成的侵彻深度离散性并揭示其机理,参照公开发表的侵彻试验,建立了三种典型弹着点位置的有限元模型,对比分析出了三种典型弹着点位置侵彻过程差异的主要原因,依据数值计算结果归纳了表征侵彻深度离散性的表达式,提出了弹体侵彻钢筋混凝土侵彻深度是一个范围值的基本思想,并对表达式进行了初步验证.结果表明,造成侵彻深度离散性的主要因素是弹体撞击钢筋的数目和弹体接触钢筋的持续时间,此离散性随着弹径与钢筋网眼尺寸比值的增大而减小.

弹体侵彻过程的偏转效应研究

本文从弹刃运动学的角研究了弹体分彻的运动微分方程，探讨了转效应产生的物理本质。

弹体侵彻混凝土靶板过载特性的典型理论模型比较分析

总结已有弹体侵彻混凝土靶板的过载计算模型，选取相关试验结果与理论计算结果进行对比，结果表明，当弹体入靶速度较低时，将弹丸视为弹性弹体、耦合应力波叠加效应所建立的弹体侵彻混凝土靶板的过载计算模型，在不同侵彻阶段的过载量、过载持续时间和过载变化趋势与试验所得结果吻合最好。试验和理论结果均显示：弹体侵彻混凝土时其过载具有在刚体过载基础上的振动叠加响应特性，加速度曲线中的高频成分是弹体系统的结构响应；而当入靶速度较高时，弹体的塑性变形和应力波传播耦合等引起的弹体结构响应产生的过载叠加信号不可忽略。分析结果可为信号处理时确定合适的滤波截止频率以及过载安定性和可靠性评估提供理论参考。

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。

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。

动能弹侵彻钢筋混凝土靶的试验研究

利用火炮发射动能弹,对钢筋混凝土靶进行正侵彻和斜侵彻试验。通过回放弹载加速度存储仪,得到侵彻过程中的加速度曲线。观测试验后的弹靶状态,分析了动能弹对混凝土靶的正侵彻、斜侵彻的侵彻特性,为反深层坚固目标战斗部和防护工程设计提供了参考。

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。