An engineering analysis of penetration of metal ball into fibre-reinforced composite targets

An engineering analysis of computing the penetration problem of a steel ball penetrating into fibre-reinforced composite targets is presented. Assume the metal ball is a rigid body, and the composite target is a transversely isotropic elasto-plastic material. In the analysis, a spherical cavity dilatation model is incorporated in the cylindrical cavity penetration method. Simulation results based on the modified model are in good agreement with the results for 3-D Kevlar woven （3DKW） composite anti-penetration experiments. Effects of the target material parameters and impact parameters on the penetration problem are also studied.

探地雷达对道路空洞修复效果探测的应用

随着各大城市道路空洞探测项目的实施,探测成果丰硕,有效减少了道路塌陷事故,也推动了空洞修复技术的发展,但修复后的空洞仍频繁出现沉陷甚至塌陷事件,主要原因是空洞修复技术的不足,当时又无法得知修复效果。为保证空洞修复后不再出现新空洞,空洞修复后的雷达探测成为检测修复效果的有效手段。探地雷达由于其分辨率高、速度快、成果直观且可实时反应地下情况,是目前常用的探测手段。本文首先阐述了目前普遍使用的空洞修复技术,并对修复后空洞进行探地雷达正演模拟,最后结合工程案例,分析探测效果。结果表明,探地雷达对大多数修复技术的效果探测准确可靠,但对高聚物注浆修复效果评价需结合FWD(落锤式弯沉仪)等其他无损检测技术,本文所提出的探测方法可为同行开展相关工作提供借鉴。

弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程解析模型

在球形空腔膨胀模型的基础上,计入了弹丸直接与钢筋发生碰撞的侵彻阻力,建立了弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程分析模型。与单一空腔膨胀模型和试验数据进行对比,表明了模型的有效性和实用性。并利用此模型分析了配筋直径及网眼尺寸对弹丸侵彻深度的影响。

中等厚度金属靶板的三阶段贯穿模型

研究了刚性尖头弹侵彻贯穿中等厚度金属靶板问题。考虑靶板背表面开裂的影响,在有限厚度金属靶板两阶段侵彻模型的基础上,引入开裂侵彻深度概念,提出一个三阶段侵彻贯穿模型。基于不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀理论和等效拉伸应变断裂准则,得到弹头表面径向压力、开裂侵彻深度的解析解和弹头侵彻阻力的数值解,由Runge-Kutta法求解弹体运动微分方程,得到极限速度、剩余速度的数值解。与小截锥刚性锥头弹侵彻铝合金靶板弹道试验数据比较,本文模型计算结果与试验吻合很好。计算表明,弹头长度和靶板厚度对侵彻阻力的影响十分明显。

刚性尖头弹侵彻有限厚度金属靶板分析模型

研究了刚性尖头弹以弹速或亚弹速垂直撞击有限厚度塑性金属靶板的侵彻问题。考虑靶板背表面自由边界的影响,建立并求解不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀模型,得到弹头表面径向压力的解析解。引入临界侵彻深度和临界撞击速度概念,提出一个两阶段侵彻模型。基于有限球形空腔膨胀模型,得到临界侵彻深度的解析解和弹体运动微分方程;用Runge-Kutta法求解微分方程,得到侵彻深度和临界撞击速度的数值解。与装甲钢靶板弹道试验数据比较,表明本文理论模型与试验吻合很好。

弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程模型

在球型空腔膨胀模型的基础上,计入了与弹丸直接发生碰撞的网筋的侵彻阻力,建立了弹丸垂直侵彻钢筋混凝土介质的工程模型。与单一空腔膨胀模型和试验数据进行了对比,表明了模型的有效性和实用性。并利用此模型分析了配筋直径及网眼尺寸对弹丸侵彻深度的影响。

脆性陶瓷靶高速侵彻／穿甲动力学的研究进展

近10年来,有关陶瓷的材料特性和陶瓷及陶瓷复合靶的高速侵彻／穿甲动力学研究已成为国际冲击工程界的热点研究领域。相关研究有着现实的军事需求和应用背景。国内在该领域的研究工作相对较少。本文着重给出陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻／穿甲动力学的国外研究现状。对陶瓷及陶瓷复合靶高速侵彻／穿甲的实验方法、作用机理和理论模型等进行综述,介绍空腔膨胀模型在陶瓷侵彻力学中的应用以及脆性材料高速侵彻效应中的失效波效应。文章最后给出近期可开展的工作建议。

射流侵彻混凝土靶的靶体阻力计算模型与数值模拟研究

针对混凝土材料特性,应用球形空腔膨胀理论,得到了靶体阻力计算模型。通过与实验对比,验证了靶体阻力模型的可靠性。应用AUTODYN-2D程序对不同药型罩锥角条件下的射流形成以及射流侵彻混凝土靶过程进行了数值模拟。通过与闪光X射线高速摄影测量结果的对比,验证了聚能射流形成数值仿真结果的可靠性。通过数值仿真得到射流速度分布,从而得到虚拟原点位置。将数值仿真得到的侵彻空腔孔型与理论分析结果进行对比,二者吻合得很好。结果表明,应用本文空腔膨胀模型计算混凝土靶体阻力是可行的、可靠的。

卵形头部弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

在球形空腔膨胀模型的基础上,将钢筋混凝土中的钢筋网结构所在混凝土等效为高强混凝土层,其余部分按素混凝土层处理,得到了计算卵形头部弹丸侵彻钢筋混凝土的分层工程分析模型。用分层分析模型计算了最终侵彻深度,侵彻过程中弹丸的位移时程曲线,速度时程曲线和加速度时程曲线。将计算结果与实验数据和按球形空腔膨胀模型计算结果对比分析,结果表明分层分析模型能够较真实的反映弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态。

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。

头部非对称刻槽弹体侵彻混凝土目标性能研究

为进一步提高弹体对混凝土类脆性靶体的破坏能力,提出一种可对混凝土施加轴线压缩与切向剪切联合破坏作用的头部非对称刻槽弹体,并在极坐标下表征非圆截面头部弹体结构。利用准静态柱形空腔膨胀模型,建立轴向压缩-切向剪切联合作用下的准静态柱形空腔膨胀理论模型,推导得到考虑剪切效应的靶体响应力函数。在此基础上,发展了头部非对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土目标局部相互作用模型。基于前述分析,开展了头部非对称刻槽弹体侵彻半无限混凝土目标系列试验研究。研究结果表明:考虑剪切效应的二维空腔膨胀理论及局部相互作用模型的理论计算结果与试验结果吻合较好;与普通尖卵形弹体相比较,头部非对称刻槽弹体具有较好的侵彻能力,能有效提高侵彻深度。

基于Griffith强度理论的空腔膨胀模型与应用研究

根据混凝土材料受高速冲击时产生大量碎裂的特点,假设其粉碎(塑性)区介质服从Griffith强度理论,发展了弹丸深侵彻混凝土靶的动态空腔膨胀模型,建立了弹丸深侵彻理论计算公式.对比表明:基于Griffith强度理论的球形动态空腔膨胀模型的计算结果与实验数据吻合较好.

有限柱形空腔膨胀理论及其应用

为研究有限平面尺寸金属厚靶侵彻问题,提出了有限柱形空腔膨胀理论。考虑侧面自由边界,将理想弹塑性材料的空腔膨胀过程分为弹塑性阶段和塑性阶段,得到了空腔壁径向压力的解析解。基于Tate磨蚀杆模型,应用有限柱形空腔膨胀理论计算靶的侵彻阻力,建立了长杆弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型。与现有文献试验比较表明,文中工程模型计算的侵彻深度与弹道试验结果吻合较好。

球形弹对金属靶板侵彻问题的数值模拟

基于球形空穴膨胀模型(SCE),采用ABAQUS有限元商业软件并结合自主开发的ABAQUS用户子程序对球形弹侵彻金属靶进行了有限元3D数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无需划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角,并且考虑了弹体在运动过程中和靶体的接触分离效应。模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,模拟结果与实验结果吻合得很好。

基于修正空腔膨胀理论的随进弹丸侵彻规律分析

针对串联随进战斗部中弹丸对预开孔靶的侵彻性能,基于经典的空腔膨胀理论解析模型,建立修正的空腔膨胀理论模型,对不同尺寸预开靶孔的弹丸随进性能进行了分析.研究结果表明,预开孔深对改善弹丸综合侵彻性能有一定的限制,尽可能提高预开孔径是提高随进弹丸侵深、降低过载的有效方法.所建立的解析模型得到实验的验证.

卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

基于球形空穴膨胀理论(SCE),采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无须划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹,靶体为6061-T6511铝合金。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角等实际情况,并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,发现模拟结果与实验结果吻合得很好,并得到了一些有意义的推论。

基于小波变换时能密度法的隧道空洞充填物识别

灰岩地区隧道修建过程中,制约安全高效建设的最主要因素是隧道掘进工作面前方的不良地质情况,加之溶洞、断层与破碎带等不良地质具有较强的隐蔽性,如何提高隧道短距离超前地质预报的判释水平显得尤为重要。为便于对地质雷达信号图谱特征进行定量解释,开展了基于时域有限差分法的正演模拟与室内物理模型实验。在小波变换与奇异性检测原理的基础上,构造了与地质雷达发射子波波形相似度高的雷达小波基,添加到小波分析工具箱中,提出了一种新的基于雷达小波基的小波变换时能密度法,将其应用于空洞充填物正演模拟与模型实验地质雷达信号的定量识别,并与波形分析法、Db4小波变换法和雷达小波变换法的识别结果进行比较。研究结果表明,波形分析法虽能有效识别空洞充填物的尺寸大小,但需通过反射系数等先验知识来确定空洞充填物的界面反射位于波峰或波谷;Db4小波变换模极大值法易得到地质雷达信号奇异点,但奇异点的提取位置与不同小波基的时频局部化特征有关,Db4小波变换法识别结果的相对误差约15%;雷达小波变换模极大值法与小波变换时能密度法的识别效果均较好,但小波变换时能密度法的分辨率更高,且不需选择最优尺度。当空洞充填物的尺寸大于电磁波波长时,小波变换时能密度法识别结果的相对误差小于5%。

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。

纤维增强复合材料靶板抗钢球贯穿的工程分析方法研究

介绍了钢球贯穿纤维增强复合材料靶板的一维工程近似分析方法.钢球被假定为刚体,复合材料靶被近似为横观各向同性弹塑性材料.通过将球腔膨胀模型和柱腔贯穿相结合的方法,提出了一种改进的复合材料靶抗贯穿的工程近似分析方法.利用该方法,对三维芳纶纤维编织(3DKW)复合材料靶板开展了抗钢球贯穿的工程近似分析,计算结果与实验结果一致性较好;并进一步讨论了计算中材料主要参数对靶板抗贯穿规律的影响.

湿饱和混凝土抗侵彻性能分析

混凝土侵彻弹靶相互作用是一种剧烈的动力学过程,但现有空腔膨胀模型用于混凝土侵彻工程计算时,引用的靶材料参数全为混凝土的静态力学特性参数,这必然会导致理论计算结果与工程实际的偏离。为提高混凝土侵彻工程计算预估精度,依据湿饱和混凝土的SHPB试验结果,在柱形空腔膨胀模型的基础上,考虑混凝土的动态响应特性,进行湿饱和混凝土侵彻深度工程计算,结果表明,其抗侵彻性能略优于正常状态。