考虑混凝土孔隙压实效应的球形空腔膨胀理论

根据混凝土材料动态响应的特点,将常规弹速范围内混凝土球形空腔的动态响应区域划分为弹性区、开裂区和孔隙压实区,孔隙压实区的混凝土材料采用两段式线性状态方程和考虑拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则描述。运用相似变换方法推导了球形空腔动态膨胀响应的理论表达式,采用Runge-Kutta-Felhberg数值方法给出了球形空腔动态响应的数值解。结果表明,运用该理论建立的侵彻模型与试验结果具有良好的一致性。

考虑剪胀效应的混凝土动态球形空腔膨胀理论

在考虑混凝土的压缩和扩容特性条件下,建立了动态球形空腔膨胀理论,其中完整的靶体响应为密实区-扩容区-开裂区-弹性区,在扩容区采用扩容方程。基于上述理论得到了空腔表面应力与膨胀速度的表达式,使用侵彻方程计算不同工况的侵彻深度并与试验值作对比,同时对混凝土强度参数和压缩系数对弹体侵彻深度的影响规律进行研究。结果表明:该模型可以较好预测侵彻深度,具有一定的合理性;混凝土强度参数中压力硬化系数对侵彻深度的影响较大,随着弹体初速度增大应考虑混凝土材料的剪切饱和性质;随着压缩系数不断减小,混凝土材料由压缩转为膨胀状态,导致空腔表面应力增加,侵彻深度降低。

混凝土材料动态球形空腔膨胀的数值模拟

为了验证固体中的空腔膨胀理论,基于混凝土三段式本构模型,用有限元方法对混凝土材料动态球形空腔膨胀进行了数值模拟.数值模拟结果表明,当空腔膨胀压力超过一定阈值后,空腔边界将以该压力对应的恒定速度膨胀,符合空腔膨胀理论中膨胀压力与边界膨胀速度的函数关系.进一步分析表明膨胀压力阈值与混凝土强度呈线性关系.混凝土中空腔边界到弹性波阵面之间的径向应力场分布与理论计算相符,证实了数值模拟的可靠性,揭示了空腔膨胀的物理过程.

混凝土材料球形空腔膨胀的数值研究

为研究混凝土材料动态球形空腔膨胀的机理,采用LS-DYNA对其进行了数值模拟。结果表明,空腔界面压力与膨胀速度平方成正比,密度与膨胀速度平方成反比,且膨胀速度随抗压强度的提高而降低;而空腔初始半径,及混凝土材料的抗拉强度等对空腔界面的膨胀速度基本没有影响。对膨胀过程中模型径向应力的分布情况进行了分析,并与空腔膨胀理论进行了对比,二者保持一致。通过对不同强度混凝土动态球形空腔膨胀的数值分析,拟合了空腔界面膨胀速度到达稳定时对应的临界速度的计算公式,建立了空腔压力与界面膨胀速度的函数关系,并依此给出了混凝土靶体侵彻深度的计算公式。通过与实验数据对比,验证了公式的正确性和适用性,表明空腔膨胀数值模拟结果可以用于侵彻深度计算。

基于盖帽模型的混凝土动态球型空腔膨胀模型和侵彻阻力分析

为了获得弹丸高速侵彻混凝土介质的阻力方程,提出了一种基于混凝土盖帽模型的球形动态空腔膨胀模型。利用一般形式的状态方程和屈服准则描述混凝土材料的动态力学特性,获得了通用混凝土球形空腔膨胀模型的动态响应表达式。通过引入Dracker-Prager Cap屈服模型,在新的空腔膨胀模型中考虑了混凝土高压下的屈服软化特性。计算结果表明:采用带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则与Tresca屈服准则推导出的阻力方程在高速阶段与盖帽模型差别较大。实验结果证明:基于盖帽模型的球形空腔膨胀模型因考虑混凝土高压屈服软化特性与实验结果具有更好的一致性。

一种考虑球体变形的钨球侵彻低碳钢深度计算模型

为了研究钨球在高速撞击下的变形行为对侵彻效果的影响,对钨球侵彻半无限低碳钢靶进行试验研究,得到<1600 m/s冲击速度下钨球变形特征和靶板侵彻深度随冲击速度的变化规律。在此基础上构建钨球侵彻塑性变形模型。将钨球变形模型和球形空腔膨胀阻力模型相结合,建立钨球变形侵彻深度计算模型。对比不同撞击速度下钨球变形侵彻模型、刚性侵彻模型的计算结果。对比结果表明,变形侵彻模型能够更加准确地计算钨球对半无限靶的侵彻深度,计算结果与试验相比最大误差20%(正误差15%,负误差5%),精度较刚性侵彻模型提升42.86%。

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。

考虑靶体自由表面和开裂区影响的可变形弹体斜侵彻脆性材料的终点弹道分析

将靶体视为不可压缩Mohr-Coulomb材料,假定空腔膨胀产生塑性-开裂-弹性响应分区,构造了自由表面效应的衰减函数,并将衰减函数乘以脆性材料的半经验阻力函数,得到了用于斜侵彻的脆性材料半经验阻力函数。基于文献[2]的弹靶分离方法,将靶体对弹体的作用用阻力函数代替,避免了靶体网格划分和复杂的接触算法,提高了计算效率。在此基础上,对4340(RC44.5)高强钢斜侵彻石灰岩靶体进行了数值模拟,并通过与实验测得弹体最终形态和弹尖最终位置对比,验证了本文提出方法的正确性和优越性。

刚性弹丸对花岗岩垂直侵彻的理论分析

为研究花岗岩的侵彻机理,应用球形动态空腔膨胀理论对其进行建模。根据花岗岩具有高强度和粘滞性的特点,引入粉碎区动态抗压强度变量,改进了球形空腔膨胀压力的理论模型。通过分析动摩擦力对侵彻深度的影响,得到刚性弹丸垂直侵彻花岗岩时的阻力和深度计算公式。理论计算预估值与试验结果较一致,证明了模型的有效性。

混凝土侵彻模型经验参数研究

为了研究Forrestal等人的半经验侵彻模型中包含的一个仅与混凝土抗压强度相关的无量纲经验参数S,基于混凝土的三段式本构模型,利用动态球形空腔膨胀计算研究了该经验参数。从混凝土压缩破坏和剪切破坏的角度进行计算,结果符合该参数变化规律。进一步分析表明经验参数S不仅与抗压强度相关,还主要受混凝土模型中压力硬化系数影响。

混凝土靶侵彻计算的半经验法

在球形空腔膨胀理论基础上,通过不同强度混凝土材料的侵彻实验数据直接识别建立混凝土材料综合动态强度参数psd与混凝土材料无侧限压缩强度σ-b的经验关系式;从应力波表层损伤理论分析了混凝土表层“开坑区”的侵彻特性,提出“简化等效阻力线”的计算方法;指出球形空腔膨胀理论的阻力算式中取动阻力项系数B=1.5的合理性。理论分析和侵彻实验表明:本文方法适用于小弹侵彻混凝土靶、大弹侵彻混凝土靶和以混凝土材料为面层的部分多层复合靶的侵彻计算,克服了Forrestal半经验法的不足。

细长弹侵彻防护工程材料靶体的试验和理论研究

通过大量模型试验、近似分析方法和数值模拟3种研究途径,对细长弹侵彻防护工程材料靶体的效应进行了较系统的研究。分析了细长弹侵彻防护工程材料靶体的侵彻机理和破坏效应、细长弹侵彻靶体中的应力波的传播规律,给出了适用的细长弹侵彻深度预估公式和方法。通过上述研究,取得了如下成果:(1) 自行研制和完善了一整套开展侵彻模型试验研究的试验技术，这些技术包括：弹托分离技术；碰撞倾斜度测试技术；传感器埋设技术及应力波参数测试数据的修正。除以上技术之外，作者在试验中，还采用分幅照相技术拍摄弹体着靶姿态。这些技术为试验的成功和获得丰富的、有效的试验数据奠定了良好的基础。 (2) 通过土中侵彻模型试验的宏观结果分析得到：弹体对土壤的侵彻效应可分为表面隆起及成坑阶段和坑下侵彻阶段，描述了不同阶段弹着点附近土壤运动、变形和破坏的机理；提出了土介质的变形可以分为扰动区和未扰动区；依据土中侵彻的机理和试验最大侵彻深度数据，给出了细长弹侵彻土壤的深度预估公式。 (3) 通过混凝土中侵彻模型试验的宏观结果分析得到：弹体对混凝土的侵彻过程可分为成坑和坑下侵彻两个阶段，描述了不同阶段弹着点附近混凝土变形和破坏的机理；提出了混凝土介质的变形可以分为破坏区和未破坏区。

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。