复合型非致命动能弹冲击能量耗散特性数值模拟

非致命动能弹药应用广泛,传统型非致命动能弹常常发生过度伤害的问题,研发新一代兼具安全性和有效性的复合型非致命动能弹很有必要。为了揭示复合型非致命动能弹致伤机理,评估其对人体的冲击损伤,通过数值模拟的方法,比较传统型非致命动能弹与复合型非致命动能弹以相同速度冲击靶标以及复合型非致命动能弹以不同速度冲击靶标所获得的数据,深入分析复合型非致命动能弹冲击能量耗散特性,为我国自主研发新一代非致命动能弹药提供一定参考。

基于刚性壁的非致命易碎弹冲击毁伤数值评估

非致命易碎弹是一种以较高战斗射速下的钝性冲击达到驱散制服目的的非致命弹种,基于刚性壁的毁伤评估方法已被纳入北约相关标准。为了研究非致命易碎弹的冲击毁伤性能,采用光滑粒子流体动力学方法(smoothed paritcle hydrodynamics, SPH)耦合有限元法建立了某型非致命易碎弹冲击刚性壁的数值模型,并对弹体结构、接触关系和材料模型进行优化设置,在与文献实验数据对比验证有效性的基础上,分析了该型弹丸的冲击过程并进行了毁伤数值评估。结果表明:该型弹丸的冲击力主要来自于内填金属颗粒,且峰值冲击力出现在壳体破碎之后;在初速范围内其瞬时冲击应力远小于皮肤穿透阈值,但以超过45.3 m/s的速度击中头部时会造成意识丧失、颅内出血、昏迷等损伤。

高速岩质滑坡启动弹冲加速机制及弹冲速度计算——以武隆县鸡尾山滑坡为例

高速岩质滑坡启动弹冲加速机制是开展高速岩质滑坡全过程动力学研究的基础。系统阐述了高速岩质滑坡启动弹冲加速机制，着重分析了岩质滑坡启程中的滑带释能和锁固体释能加速效应。基于岩石循环加、卸载试验，探讨了岩石弹性应变能释放规律，并将得到的规律用于确定滑带可释放弹性应变能。鉴于目前确定滑坡启动弹冲速度所存在的诸多问题，重新推导了滑坡启动弹冲速度计算公式，并对鸡尾山滑坡启动弹冲规律进行了研究。研究表明，鸡尾山滑坡启动弹冲速度为1.2611 m/s，滑体初始动能主要源于滑带弹性应变能的释放。最后通过一个滑坡概化模型计算得到了岩质滑坡启动弹冲的极限速度范围为2.6～4.4 m/s。

碳纤维叶片的鸟弹冲击响应及损伤

通过实验和数值模拟研究了T300碳纤维叶片的抗冲击性能,探讨了碳纤维叶片的变形损伤模式及纤维层数对叶片抗冲击性能的影响。采用明胶鸟弹对不同层数碳纤维叶片开展了冲击实验,基于宏观连续损伤力学理论和Hashin失效准则针对碳纤维材料的失效形式编写了用户材料(vectorized user-material,VUMAT)子程序,采用光滑粒子流体动力学方法模拟明胶鸟弹,运用ABAQUS有限元软件对不同层数碳纤维叶片的动态响应过程进行了数值模拟,在鸟弹冲击过程中叶片变形、鸟流状态、冲击持续时间等方面,模拟结果与实验结果吻合较好。在鸟撞叶片初始冲击阶段,三种不同层数的叶片都有较大的变形,且叶片的变形模式相近;在冲击衰减阶段与恒流稳定阶段,不同层数碳纤维叶片的挠度与断裂位置都有较大差别。在鸟弹冲击叶片过程中,叶片以弯曲和扭转耦合变形模式为主,其中弯曲变形对其损伤破坏起主导作用。实验结果表明,碳纤维叶片损伤模式主要表现为:(1)叶根部边缘损伤,(2)叶根部完全断裂,(3)叶根部与叶顶部完全断裂。碳纤维抗冲击性能受层数的影响较大,通过实验和数值模拟对鸟弹冲击叶片进行机理分析,可为碳纤维叶片的工程设计和应用提供参考。

压剪型危岩破坏弹冲动力参数研究

危岩崩塌具有突发性,属于能量快速释放的动力学过程。针对压剪型危岩,提出了压剪型危岩破坏力学模型,建立主控结构面锁固段切向抗力和剪切位移本构方程;发现危岩动力失稳瞬间系统的临滑聚能将释放并转换为危岩崩落动能,推导建立了危岩主控结构面锁固段断裂扩展所需耗能的计算公式,得到危岩临滑聚能和临滑释放能量随剪切位移增大的演化曲线,据此提出危岩突发性破坏后崩塌体弹冲速度和弹冲加速度计算公式。研究成果为进一步分析危岩崩落机制及致灾效应具有一定参考借鉴作用。

高速岩质滑坡临床弹冲与峰残强降复合启程加速动力学机理

运用断裂力学和弹性力学的原理和方法，提出并分析了逆向层状岩体斜坡锁固段突然剪断时出现的“临床弹冲－峰残强降”复合加速动力学效应，推导出二维应力状态下高速岩质滑坡启程速度计算公式。这从理论上定量地论证了具有实际意义的滑坡动力学新机理。

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。

论基岩滑坡的启程弹冲与行程高速

剧动式高速滑坡是一种大量存在于天然界的地质灾害,特别一些高陡斜坡地区更频繁发生。其活动时间短、速度快、滑程远,有时方量很大,常给人们带来毁灭性的灾难。作者从动力学角度出发,运用弹性力学的理论,以分析三峡广家崖滑坡危岩体为例,并结合大量实际资料,对基岩滑坡的“启程弹冲加速效应”与“行程高速度”,给以理论上的论证和探讨。

论基岩高速滑坡的弹冲动力学机理

剧动式高速滑坡是大量于自然界的一种地质灾害,特别一些高陡斜坡地区更频繁发生。其活动时间短,速度快,滑距远,有时方量很大,常给人们带来毁灭性的灾难。 作者从动力学角度出发,运用弹性力学的理论,以分析广家崖斜坡危岩体为例,有大量实际资料为依据,对基岩滑坡的“启程弹冲加速效应”,给以理论上的分析和探讨。

论基岩滑坡的临床聚能与启程弹冲

剧动式高速滑坡是一种大量存在于自然界中的地质灾害。本文以广家崖斜坡危岩体为例,对基岩滑坡的“临床聚能”和“启程弹冲加速效应”进行了理论分析和探讨。文中详细论证了斜坡岩体滑落破坏时所具有的“启程弹冲加速效应”,并提出了二维应力状态下的启程冲速度计算公式。 启程弹冲机理,主要是锁固段岩体内聚力作用和岩体聚集赋存弹性应变能释放的反应,弹冲速度与内聚力的大小有直接关系。岩体一旦剪断破坏,弹性应变能骤然释放,岩体表现出剧烈的弹性回冲,弹性应变能便瞬间转化为岩体滑动的弹冲动能。这便从理论上对高速滑坡提出了具有实际意义的新机理。

航弹冲击引起的遮弹层下自由场应力确定

首先将航弹冲击遮弹层的问题简化为一个具有初始速度条件的振动问题 ,借用基础振动半空间理论的方程对等法建立了体系的运动方程 ,进而得到了遮弹层后自由场应力的计算公式。在此基础上 ,讨论了遮弹层有效作用半径、弹种及分配层介质的性质对自由场应力的影响 ,给出了航弹冲击作用下遮弹层下自由场应力的计算方法及结构设计建议。

不同弹头形式的易碎弹冲击航空有机玻璃的数值分析

利用霍普金森杆(SHPB)实验方法,针对由金属与硫混合而成的易碎弹复合材料及某航空有机玻璃材料,测得了不同应变率下两种材料的动态力学参数。根据实验数据拟合给出易碎弹与航空有机玻璃材料的Johnson-cook强度模型参数,并对参数进行数值仿真验证。在此基础上,利用AUTODYN-3D有限元程序,对具有不同弹头形式的易碎弹冲击航空有机玻璃全过程进行数值模拟,通过对比子弹的破碎效果及对航空有机玻璃的毁伤效果,分析总结了相关规律。结果表明:该复合材料具有较好的易碎效果;空尖易碎弹的破碎效果优于普通易碎弹,并且对航空有机玻璃的毁伤效果逊色于普通易碎弹,更加符合实际应用。

攻角变化超空泡射弹冲击水面的流体物理现象研究

在自行设计制作的实验装置上,用高速摄影机观察了超空泡射弹以57°～80°攻角倾斜地冲击水面及出水过程的流场,分析研究了相关的物理参数。实验结果表明,随着超空泡射弹接近水面,倾斜运动的射弹超空泡的头部形状出现了向水面的偏斜,即关于圆柱形物体轴线不对称;数值计算结果证实了这种偏斜。分析结果表明,该现象是空泡下部压力大于上部压力造成的。进行了水平超空泡射弹和水面相互作用(90°攻角)的实验,发现了空泡向水面的偏斜和水面的抬升,先导表面波的形成,在自由面上方生成的水鳍及其破裂,自然超空泡向通气超空泡的转换等。基于Logvinovich的半经验公式,比较了测得的空泡形状,结果表明,在弹体头部附近空泡形状出现偏斜的现象。

射弹冲击带盖板Comp B装药起爆过程数值模拟

分析并验证了圆柱形平头铜射弹冲击起爆带盖板Comp B装药,利用LS-DYNA模拟了圆柱形平头和圆头钨射弹冲击带不同厚度钢盖板的Comp B装药起爆过程,定量地分析了起爆临界速度随盖板厚度的变化规律,讨论了发生延迟起爆(XDT)现象的原因和机理。结果表明,直接冲击起爆计算结果能够较好地符合Jacobs判据,圆头与平头钨射弹冲击带盖板Comp B装药临界起爆速度满足关系式Vround≈1.15Vflat,发生XDT现象是因为炸药被破坏及反射冲击共同作用所致,且XDT现象产生位置均在邻近底板的炸药界面处。

射弹冲击引爆带壳炸药数值模拟

利用非线性有限元程序LSDYNA对射弹冲击引爆带壳炸药作用过程进行了数值模拟,得出了不同材料、长径比射弹冲击引爆不同厚度壳体炸药的临界阈值速度.结果表明相同质量射弹、射弹长径比将影响带壳炸药的引爆阈值速度.在选择射弹冲击引爆带壳炸药时,射弹直径是重点考虑的因素.射弹材料对冲击引爆阈值速度影响较为明显,在选择射弹材料时应采用高密度、高性能的材料.

靶体材料叠层顺序对抗卵形头弹冲击性能影响

为研究靶体材料及结构对其抗撞击特性的影响,利用一级轻气炮系统进行卵形头弹正撞击靶体试验.通过改变靶体材料及结构,分析靶体在不同撞击条件下的弹道极限及失效模式.靶体包括单层靶、相同材料板组成的等厚双层靶,以及不同材料板组成的等厚双层靶,靶体总厚度相等.利用高速摄像机获取弹体撞击速度数据和弹道姿态图像,基于实验数据建立各种结构靶体的初始-剩余速度曲线,进而计算获取靶体的弹道极限速度.通过分析靶体的弹道极限及面密度,从抗撞击效率方面揭示靶板的叠层顺序对其抗撞击性能的影响规律及机理.试验结果表明:单层靶板的抗撞击性能高于等厚度的双层靶板;靶板的叠层顺序对混合双层靶抗撞击性能存在影响,硬板在前软板在后排列能够提高靶体的抗撞击性能,并且这种差异随弹体初始速度的增加而减小.此外,铝合金靶体单位质量的抗撞击效率高于钢靶体.

基于侵深公式的弹冲击混凝土目标的计算方法

为利用终态侵深公式得到弹冲击混凝土目标过程中的瞬态量,根据实验现象及测试结果,借鉴Young氏方法的思路,提出一种“线性加速度模型”计算方法.利用该方法对侵彻弹冲击多层混凝土薄靶板及半无限厚混凝土目标分别进行了计算,并与前人的计算方法进行了对比.结果表明,该方法计算所得结果与实验结果一致,可为防护工程或武器设计提供理论和方法的参考.

射弹冲击引爆裸装炸药临界条件研究

在国内外学者研究基础上分析了不同头部形状及不同材料射弹对裸装炸药的引爆判据,利用数值模拟计算得到了不同射弹材料、射弹头部形状对引爆状态的影响结果,进而提出了综合考虑射弹头部形状及材料密度的射弹冲击引爆炸药临界条件经验表达式。与已有试验结果相比较,该表达式能较好的描述裸装炸药在承受冲击条件下的起爆响应。

射弹冲击起爆带壳炸药临界速度研究

为研究射弹材料对冲击起爆带壳炸药临界速度的影响规律,以期为射弹武器设计提供数据依据,采用LS-DYNA软件,应用冲击起爆Lee-Tarver点火增长模型,对相同质量的三种材料射弹撞击带壳炸药分别进行了数值仿真,分析了冲击起爆过程,得出了不同长径比下三种材料射弹对带壳炸药的临界起爆速度,并建立了理论计算模型,采用冲击起爆理论判据验证了数值仿真结果的准确性。计算结果表明:三种射弹材料对带壳炸药的引爆能力有明显差异;冲击起爆点并不位于炸药和壳体的交界面,冲击速度越大,起爆点越接近交界面;射弹长径比越大临界起爆速度越高。

断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击的影响

为了解TC4钛合金的抗冲击力学性能,利用一级轻气炮进行了卵形头弹冲击TC4钛合金靶板的试验,撞击速度范围为125.9~240.0 m/s。通过撞击试验获得弹体的初始剩余速度以及靶板的失效破坏模式,并利用公式拟合弹体初始剩余速度得到弹道极限速度。利用ABAQUS/Explicit有限元软件建立弹体冲击靶体的三维模型,研究断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击性能的影响,分别采用不同断裂准则进行数值模拟,并将数值模拟预测结果与试验结果进行对比。研究结果表明,从弹道极限和失效破坏模式综合考虑,Hancock-Mackenzie(H-M)准则预测的结果与试验结果更接近,说明考虑失效应变随应力三轴度的变化关系能提高数值仿真精度。