空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明:当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575~0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。

空心弹入水射流与空化特性仿真

空心弹入水过程中,高速水射流的产生是影响其入水的关键。为深入研究空心弹通孔孔径对射流和入水特性的影响,文中建立了不同孔径的空心弹垂直入水仿真模型,并对比分析了不同孔径弹丸的孔内压力特性与空泡发展差异。分析结果表明,孔径比与初始碰撞时刻的孔内压力强度有关,且随着孔径比的增加,射流的高度与速度均有所降低,这与通孔内的压力梯度现象有关;同时,压力梯度的强度随着孔径比的增加而降低。文中还对空心弹空化现象发展进行了简要描述,分析了孔径比对空化现象的影响,可知随着孔径比的增大,弹体产生的蒸汽量逐渐减少,空泡闭合时间提前。

内锥型空心弹关键参数与阻力特性仿真研究

为了揭示内锥型空心弹关键参数与阻力特性之间的关系,基于30 mm口径内锥型空心弹模型,通过改变锲角和喉径比关键参数,利用计算流体动力学软件Fluent对空心弹在不同马赫数下进行数值仿真,得到了不同参数下的阻力特性。结果表明:在喉径比为0.2时,空心弹会发生阻塞现象,单独增加马赫数不能消除阻塞;消除阻塞前,在同一马赫数条件下,随着喉径比不断增加,阻力系数数值逐渐减小,尤其在阻塞临界点附近,阻力系数数值会出现骤降;消除阻塞后,随着喉径比不断增加,阻力系数数值变化不明显;消除阻塞现象所需马赫数随喉径比增加逐渐减小,喉径比越大越易于消除阻塞问题。锲角的大小对阻力特性影响较大,锲角越大,越易于造成阻塞现象;在喉径比和马赫数相同条件下,锲角越大阻力系数数值越大。在锲角和喉径比相同时,马赫数越大阻力系数值反而越小。在空心弹及类似弹丸设计时,需同时兼顾锲角、喉径比和马赫数对气动特性的影响。

内锥型空心弹气动外形与阻力特性数值仿真

为了得到具有最小阻力系数的内锥型空心弹的气动外形,基于内锥型空心弹弹丸长度、口径、喉道形状不变的条件下,通过改变锲角来调节弹丸外形结构,利用计算流体动力学软件Fluent软件对不同形状的内锥型空心弹进行数值仿真,得到了在不同气动外形下的流场特性、阻力系数随锲角的关系和具有最小阻力系数的气动外形结构。另外,还研究了具有最小阻力系数的内锥型空心弹在来流3 Ma不同攻角条件下的流场特性和不同攻角下阻力系数随来流马赫数的变化关系,结果表明:前锲角过大会造成内锥型空心弹丸发生气流阻塞现象,锲角的变化对压差阻力影响较大,对摩擦阻力影响较小;内锥型空心弹最小阻力系数气动外形结构为非对称锲角结构;最小阻力系数弹在不同攻角条件下,阻力系数随马赫数增加变化规律基本一致,马赫数过低也会影响内锥型空心弹发生气流阻塞现象。

空心弹体垂直侵彻混凝土靶板的应变测试研究

提出一种新型的测量实验弹侵彻混凝土靶板过程中的弹体变形的测试方法 .采用正向弹道技术 ,在空心弹体内壁粘贴应变片电桥电路和弹载存储器 ,测量、记录弹体的撞击变形行为 ,并通过地面计算机再现该过程 .利用这种测试手段 ,在 95 m m口径空气炮上进行了系列截卵形头部的 35 Cr Mn Si弹体以 15 0～ 30 0 m/ s的速度垂直侵彻无钢筋混凝土靶板的实验 ,成功测得应变时间历程曲线 ,并对应变曲线和侵彻过程弹体变形的对应关系进行了分析讨论 .实验结果表明弹体在侵彻靶板的过程中 ,材料承受交替的压缩、拉伸变形 .

空心弹的阻力特性与气动外形数值分析

为了得到具有最小阻力系数的空心弹外形,基于雷诺平均方程以及二阶AUSM格式,对不同空心弹气动外形的二维流场以及气动力进行了数值计算,得到了不同外形条件下空心弹的内外流场特性,以及阻力系数变化曲线与最小阻力系数的空心弹气动外形。另外,分别对具有最小阻力系数的空心弹与常规空心弹的超声速流场进行了数值模拟,对比分析了二者流场结构的异同,数值验证了具有最小阻力系数弹型的减阻效果,可为相关研究提供参考。

空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和实验研究

采用动力有限元方法和弹道枪加载实验技术进行了两种材料 (35CrMnSi和贝氏体钢 )的空心弹体垂直侵彻A3金属靶板的对比研究 ,分析了弹、靶材料典型的宏观变形破坏过程和微观组织结构。实验结果表明 ,当撞击速度较低时 ,弹体头部发生镦粗变形 ;当撞击速度较高时 (80 4m/s、798m/s) ,两种材料的弹体头部则均有质量侵蚀现象 ,35CrMnSi侵蚀略少于贝氏体钢 ,弹体头部均有绝热剪切带出现 ;

空心弹空气阻力特性计算与数值仿真

应用Fluent软件仿真空心弹典型设计方案简化模型的空气动力流场,得到了其阻力系数与马赫数的关系,运用Matlab软件数值求解空心弹外弹道质心运动微分方程组,得到了弹道顶点和落点诸元。将以上所得阻力系数和弹道诸元与公式计算结果进行对比表明：在来流马赫数为2.0-4.4时,无弹带结构的简化空心弹模型用两种方法所得外弹道诸元结果相差很小;弹丸头部前缘厚度在可信区间内对阻力系数影响较小,但弹带结构对阻力系数的影响较大;工程设计时,受弹带结构影响,某空心弹简化模型阻力系数计算公式不太适合于工程问题求解,此时应以数值仿真为佳。

低阻空心弹流场特性研究

基于Navier-Stokes方程和单方程The Spalart-Allmaras湍流模型对低阻空心弹的超声速流场进行了数值模拟。模型求解技术包括用有限体积法进行空间离散,AUSM格式进行对流项离散,并采用网格自适应加密技术来提高对激波间断的分辩。得到了空心弹超声速湍流飞行条件下的复杂波系结构与阻力特性曲线,并讨论了空心弹在不同攻角与马赫数情况下的飞行特性。

贝氏体钢和35CrMnSi空心弹体侵彻金属靶板的比较研究

本文对贝氏体钢和 35CrMnSi弹体以不同速度侵彻金属靶板的结果进行了宏观和细观对比实验研究 ,以揭示弹体的变形、质量侵蚀和微观组织的联系 ,尤其是与绝热剪切带之间的关系。研究发现 ,弹体头部均发生不同程度的镦粗变形或质量侵蚀 ,并有绝热剪切现象 ,剪切带的形貌和分布在很大程度上决定了弹体的宏观变形和破坏。贝钢的剪切转变带中较多微孔洞 ,其断口为平坦脆性断口 ;35CrMnSi的剪切带中较多微裂纹 ,断口平坦面比贝钢小 ,并有撕裂现象。剪切转变带的显微硬度均高于基体组织。两种材料的弹体经较低速度侵彻后 ,亦可观察到少量的形变带和转变带。

非零攻角下空心弹阻力特性研究

为了研究攻角对空心弹阻力特性的影响,应用Fluent软件仿真3种典型空心弹结构方案空气动力流场,分析攻角对空心弹流场构型的影响,得到了不同马赫数、不同攻角下的阻力系数。结果表明:外锥形空心弹在16°攻角以内均未发生阻塞;混合锥形空心弹和内锥形空心弹临界阻塞速度随着攻角增大而变大,当攻角大于8°时,临界阻塞速度急剧增大。内锥形空心弹结构方案阻力系数受攻角影响较大,建议慎重选用;外锥形空心弹结构方案阻力系数受攻角影响较小,建议优先选用。空心弹阻力系数随着攻角的增大而增大,当攻角大于4°时,阻力系数增加很快;不带一次项的二次函数式可以较为准确的描述混合锥形空心弹和外锥形空心弹阻力系数与攻角的关系。

钨合金空心弹体垂直侵彻过程研究

进行了钨合金空心弹体垂直侵彻钢靶板和混凝土靶板的实验。通过对回收空心弹体的分析 ,指出钨合金空心弹体破坏的典型宏观特征和主要微观机制分别为 :空心弹体危险区域的塑性大变形及断裂和危险截面处材料的绝热剪切失效。通过自行设计的弹载存储测试系统 ,成功地获得钨合金空心弹体危险截面处应变的时间历程。应变历程曲线真实地反映出侵彻目标过程中应力波效应致使弹体受到动态压缩和动态拉伸载荷的反复作用 ,压应力远高于拉应力 ,而且应力水平与目标靶板的材料性能密切相关。研究结果不仅有助于空心弹体侵彻模型的建立 。

空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和实验研究

采用动力有限元方法和弹道枪加载实验技术进行了两种材料（35CrMnSi和贝氏体钢）的空心弹体垂直侵彻A3金属靶板的对比研究，分析了弹，靶材料典型的宏观变形破坏过程和微观组织结构，实验结果表明，当撞击速度较低时，弹体头部发生镦粗变形，当撞击速度较高时（804m/s,798m/s），两种材料的弹体头部则均有质量侵蚀现象，35CrMnSi侵蚀略少于贝氏体钢，弹体头部均有绝热剪切带出现，贝氏体钢可成为一种新型穿甲弹弹体材料。

西方国家的空心弹技术

空心弹具有阻力小、准确度和精度高、对目标侵彻能力强、成本低廉、发射武器后坐较小、勤务处理性能好等一系列优异的性能特性和使用特性。本文回顾了空心弹技术发展历史，分析了空心弹技术的研究现状，详细介绍和讨论了改善阻力特性、采用高性能弹托、提高威力、增加曳光功能、空心枪弹、作为训练模拟超速脱壳穿甲弹的外弹道、采用空心弹技术的全新武器弹药系统等一系列空心弹技术问题，还汇集了西方国家空心弹技术实践中的５．５６ｍｍ、７．６２ｍｍ、２０ｍｍ和１０５ｍｍ空心弹的设计参数和性能数据，最后是空心弹技术的发展趋势和应用前景分析。

内锥型空心弹阻塞喉径面积比的仿真研究

为了研究内锥型空心弹喉径面积之比与阻塞现象发生的关系,给空心弹的设计优化提供参考,基于可压雷诺时均Navier-Stokes方程与Spalart-Allmaras湍流模型,对入口锥角为12°的某型空心弹丸的流场进行了数值模拟。在来流Ma=2.5的流场中,保证弹丸其他几何参数相同的情况下,喉径面积比为0.4时空心弹发生了阻塞现象,喉径面积比为0.8时未发生阻塞,表明喉径面积之比是影响空心弹发生阻塞的重要因素。为得到空心弹的阻塞临界喉径面积比,利用穷举法计算得到了不同喉径面积比的空心弹流场,结果发现:同一空心弹丸在不同Ma下的阻塞临界喉径面积比不同,Ma=2.0时,空心弹的阻塞临界喉径面积比为0.701;Ma=2.5时为0.504;Ma=3.0时为0.372;Ma=3.5时为0.287;Ma=4.0时为0.226,Ma与阻塞临界喉径面积比成反比例关系。同一空心弹丸在不同Ma下,阻力系数随喉径面积比变化的趋势相似,流场变化过程相似。阻塞前阻近似力系数随喉径面积比的减小几乎不变;阻塞时,阻力系数突跃性增大;阻塞后,阻力系数随喉径面积比的减小而增大。

基于近似模型的空心弹气动外形数值优化

作为一种新型超声速弹药,空心弹具有阻力小、精度高等优点,在航空与防空弹药领域具有广阔的发展前景。本文以课题组前期研究的某30mm空心弹为例,基于四阶多项式响应面近似模型,综合运用UG、ICEM CFD、FLUENT、MATLAB等软件,结合单纯形法,以最小阻力系数为目标对空心弹的气动外形进行了优化,得到了α=0°、Ma=3.0条件下的空心弹最小阻力系数及气动外形参数,该阻力系数与前期数值模拟研究结果相同。在此基础上,以最小阻力系数为目标对α=0°与4°、Ma=2.5~4.0条件下的气动外形进行了优化,得到了相应外形参数的变化范围。另外,利用Kriging近似模型和NSGA-Ⅱ优化算法等,并以最小阻力系数和最大升阻比为目标,对α=4°、Ma=3.0条件下的空心弹气动外形进行了优化,得到了相应的优化外形。与初始弹形相比,优化后空心弹的气动阻力明显减小。本文验证了近似模型可用于空心弹气动外形优化设计,可为相关工程应用与研究提供重要参考。

内锥型空心弹阻塞临界入口锥角仿真研究

为了研究内锥型空心弹的阻塞现象与入口锥角的关系,仿真研究了入口锥角对空心弹流场的影响。在喉道与入口截面积比为0.6的条件下,基于可压雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程与单方程Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行研究。对斜坡流场进行数值仿真,并与实验结果对比,验证了该文方法的可行性。采用该文方法模拟了入口锥角分别为10°和30°条件下,空心弹在来流马赫数为2.5时的流场,发现入口锥角是造成气流阻塞的重要影响因素。在来流马赫数为2.5时,利用穷举法计算了入口锥角为10°～30°的流场变化情况,得到空心弹发生阻塞的临界入口锥角为17.8°。计算了空心弹在来流马赫数为2～4时的临界入口锥角,结果表明临界入口锥角随来流马赫数的增大而增大。

空心弹结构设计及弹托分离过程仿真

在对空心弹结构进行设计时,基于有限体积法和重叠网格技术,对不同马赫数条件下空心弹弹体和弹托的分离过程进行了仿真。仿真结果表明:弹托完全分离后,空心弹的马赫数Ma=2.0时,出现阻塞状态,而Ma≥2.5时,空心弹稳定飞行时为非阻塞状态;在Ma=2.5时,由于接近阻塞临界马赫数,脱壳时流场变化较为复杂,弹体空腔内气体经历时间较长的压缩过程,弹体阻力呈先减后增再减的变化趋势;在其他不同马赫数时的空心弹弹托分离过程中,弹体阻力整体上呈先减后增,最终达到稳定。随着马赫数的增大,流场能更快的达到稳定状态,弹体受到的扰动更少。

发展一种新型枪弹——钢球空心弹

自动步枪小口径化已经成为当今轻武器发展的主潮流。从20世纪60年代以来,西方各国相继装备5.56mm口径自动步枪,俄国装备5.45mm口径自动步枪,我国97年7月1日进驻香港部队装备了新型5.8mm口径自动步枪。步枪口径由7.62mm减小到5～6mm,最突出的优点是缓解了威力与连发精度、威力与武器系统重量之间的矛盾。

弹靶作用过程中侵彻弹测试技术研究

通过应用弹载存储测试技术,进行了钢质空心弹在侵彻过程中弹体动态参量测试研究,首次实现了在复杂结构弹体上采集变形量的动态测试,获得了侵彻弹侵彻混凝土、金属靶板瞬态应变-时间曲线及响应的加速度一时间曲线.一方面,测试结果真实反映了侵彻过程中复杂的应力状态及变形和断裂特征;另一方面,所应用的弹上存储测试系统,经可靠灌封后可经受10万g以上的过载,为武器研制研究提供了一种较佳的测量方法.