椭圆截面弹体侵彻性能的影响因素分析

为研究截面形状和头部曲径比对椭圆截面弹体侵彻性能的影响,开展了圆锥和椭圆锥压头的静态压痕试验,获得了不同截面压头缓慢贯入材料时的力-位移曲线。随后,基于30 mm弹道炮平台,开展了3种不同椭圆截面弹体在400~800 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12厚铝靶试验,获得了靶体的破坏形貌及弹体侵彻深度。基于空腔膨胀模型及阻力函数修正系数,建立了椭圆截面弹体侵彻金属厚靶侵彻动力学模型,结合试验结果验证了模型的有效性,并系统分析了弹体截面形状和头部曲径比对侵彻性能的影响。研究结果表明,与圆锥压头相比,具有相同截面面积的椭圆锥压头贯入材料时阻力更大,当压头的截面长短轴比从1.00增大至2.00时,贯入阻力增大10.1%。当弹体截面面积相当,且各横截面保持长短轴比不变时,椭圆截面弹体的长短轴比越大,其侵彻性能越差;椭圆截面弹体侵彻性能随着截面长短轴比的增大和头部曲径比的减小而降低。

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

为研究椭圆截面弹体侵彻混凝土靶规律,基于动态球形空腔膨胀理论,建立椭圆截面弹体侵彻受力模型,计算典型椭圆截面弹体阻力规律和侵彻砂浆靶深度。在此基础上,采用弹道炮发射平台,开展相同质量和长度的2种典型椭圆截面弹体及圆截面弹体垂直侵彻半无限砂浆靶实验。结果表明:理论模型能够反映椭圆截面弹体受力情况,并与实验研究结果吻合较好;椭圆截面弹体长短轴参数的改变对侵彻性能影响较为显著。

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°。

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。

椭圆截面截锥弹体的高速穿甲特性及阻力模型

随着高超声速武器系统的发展,具有更大空间利用率的异型截面弹体开始受到广泛关注,异型弹体的高速穿甲特性及毁伤机理是当前亟需解决的关键问题。基于典型反舰战斗部的截锥形头部结构及椭圆截面弹体外形,通过数值仿真方法研究了椭圆截面截锥弹体高速正贯穿金属薄板的阻力特性及薄板损伤机理,将弹体载荷分为剪切冲塞和延性扩孔阻力两部分,结合数值仿真结果提出了适用于椭圆截面平头弹、尖卵形弹的高速穿甲阻力函数及剩余速度解析模型,采用微分面力法和刚体动力学相结合的方法构建了椭圆弹正穿甲模型,并通过数值仿真结果验证了理论模型的有效性。结果表明:椭圆截面截锥弹体正贯穿金属薄板的过程分为载荷作用的头部侵入阶段和无载荷作用的弹身贯穿阶段,头部侵入阶段弹体对薄板的破坏模式分解为截锥平台造成的剪切冲塞和头部弧面的延性扩孔;高速冲击条件下椭圆截面尖卵形弹/平头弹对薄板的损伤与低速冲击时不同,尖卵形弹体贯穿薄板时发生延性扩孔破坏,薄板受平头弹高速冲击时出现剪切冲塞-延性扩孔相耦合的破坏模式;椭圆截面弹体正穿甲过程中所受阻力与截面积相等的圆截面弹体相同,区别在于椭圆截面弹体非对称结构外形导致载荷非均匀分布。

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度,根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征,认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法,计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系,得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度;随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大,靶板的弹道极限速度近似线性增大;长短轴之比小于3时,加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。

椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应

针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。

椭圆横截面弹体斜贯穿双层间隔薄钢板失效模式

为探究椭圆横截面弹体斜撞击双层间隔薄钢板的贯穿机理与姿态偏转规律,开展圆横截面弹体(C型弹)、椭圆横截面弹体(E型弹)、椭圆变横截面弹体(TE型弹)30°倾角贯穿双层间隔945舰船用薄钢板实验,获得了薄钢板失效模式和弹体运动数据。基于实验结果对比分析了3种弹体贯穿薄钢板后靶板花瓣型破坏特征。使用有限元软件Abaqus对实验进行了数值模拟,并扩展研究了TE型弹不同初始速度与30°、45°、60°倾角姿态贯穿双层间隔靶板过程,分析了该弹斜贯穿质心运动、姿态偏转规律。结果表明:E型弹斜贯穿薄钢板会形成非对称的花瓣型破坏;TE型弹的弹道极限速度随着倾角的增大而增大;TE型弹以两种典型的姿态斜贯穿薄钢板呈现不同的运动规律。

椭圆变截面弹体斜贯穿薄靶姿态偏转机理

随着新型武器平台的发展,具有良好平台适应性、高升阻比及隐身性能等特点的异形截面(椭圆形及变截面椭圆形)战斗部开始受到广泛关注。为探究椭圆变截面弹体斜贯穿薄靶机理与姿态偏转规律,对3种不同截面(圆形、椭圆形、变截面椭圆形)弹体斜贯穿双层945舰船薄钢板实验过程及结果进行整理与分析,根据椭圆变截面弹体贯穿过程、靶板破坏失效模式与弹体受力特征,将贯穿过程分为弹体头部压入阶段、弹体头部贯穿阶段、过渡阶段与弹身贯穿阶段。基于能量守恒、虚功原理分阶段分析弹体受力特征,建立弹体姿态偏转理论模型。通过对已有实验和数值模拟结果与理论模型所得结果进行对比,验证理论模型的可靠性。采用该理论模型着重讨论弹体撞击速度、初始倾角、质心位置、弹体翻滚角及椭圆截面长短轴之比等参数对椭圆变截面弹体姿态偏转的影响。结果表明:随着椭圆变截面弹体初始撞击速度的增加,弹体姿态偏转角度呈现指数型减小趋势;随着椭圆变截面弹体初始倾角的增大,弹体姿态偏转量增大;随着椭圆变截面弹体质心位置的后置,弹体姿态偏转角度增大;椭圆变截面弹体以不同的翻滚角撞击靶板时,弹体姿态偏转角度不同,γpt=0°较γpt=90°时弹体姿态偏转角度更大;当γpt=0°时,椭圆变截面弹体椭圆截面长短轴之比增大,弹体姿态偏转角度随之增大;当γpt=90°时,规律则相反。

在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性

基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。