非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟,给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响,并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大,弹丸的穿孔能力越强;非球弹丸的撞击方向不同,所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。

骨料粒径对混凝土靶抗高速破片侵彻影响的实验研究

为考察骨料粒径对混凝土材料抗高速破片侵彻的影响,利用轻气炮加速装置和激光测试系统进行素混凝土(PC)和钢纤维增强混凝土(SFPC)侵彻实验研究,通过高速摄像机记录弹体着靶姿态和靶体动态损伤过程。实验中混凝土靶选用5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 3种不同级别骨料粒径,通过对侵彻深度、成坑体积以及靶体碎片剥落过程的比较发现:针对素混凝土靶体,3种级别粒径范围内,级别最大的骨料粒径靶体其抗侵彻能力达到最强;而对于钢纤维含量为1%的钢纤维增强混凝土,粒径级别为10～15 mm的靶体抗侵彻能力最佳,结合骨料粒径对混凝土断裂能的双重作用,表明钢纤维的含量与骨料粒径之间存在一个优化值,在这个优化值配比下,钢纤维增强混凝土抗高速破片的侵彻能力能够达到比较理想的效果。实验结果的讨论分析对混凝土防护工程的设计具有借鉴作用。

弹丸形状对超高速撞击厚合金铝靶成坑影响的数值模拟

采用AUTODYN软件进行了弹丸形状对超高速正撞击厚合金铝靶成坑过程影响的数值模拟。给出了二维及三维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击厚合金铝靶所产生弹坑的损伤特性尺寸和成坑形状的影响,并与球形弹丸撞击所产生的坑进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大,弹丸的撞击成坑深度越大;非球弹丸的形状和撞击方向不同,成坑的形状和损伤的特征尺寸是不同的。

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。

碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度影响研究

为了了解碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度的影响程度及规律,以平面激波和热力学理论为基础,建立了碎片云高速撞击密封舱穿孔对其内大气压力和温度影响的模型,通过计算发现模型计算结果与实验吻合得较好。通过模型计算,结果表明:碎片云撞击密封舱舱壁穿孔造成其内大气压力和温度的变化趋势具有相似性;舱壁穿孔瞬间,舱内大气压力和温度只在距穿孔处一定距离发生剧变;碎片云撞击速度越大,引起舱内大气压力和温度的变化也越大。

单层A3钢薄靶在不同头型弹体斜撞击下的失效模式和防护性能研究

利用轻气炮设备对平头、卵形弹进行了以5种角度撞击2 mm单层A3钢薄靶的斜穿甲试验,得到了不同头型弹体在各个角度撞击单层靶的初始-剩余速度曲线及靶板的弹道极限,获得并对比分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板的防护性能及失效模式的影响。结果发现,平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板,撞击角度较大时卵形弹较平头弹更容易发生跳飞现象;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤和失效模式紧密相关,随着斜撞击角度变大,平头弹造成的靶板局部穿孔毁伤模式逐步由剪切冲塞失效转向以拉伸撕裂失效为主,同时整体结构弯曲和膜变形减小,而薄板在卵形弹斜撞击下的失效模式则以局部斜形非对称花瓣开裂为主。

非药式水下爆炸冲击波加载装置研究

非药式水下爆炸冲击波加载装置作为实验室范围内一种新型水下爆炸冲击波加载技术,具有耗费低、危险性小、可重复性高等优点,对进一步研究水下冲击波毁伤效应具有重要意义。该装置通过一级轻气炮发射飞片正撞击水舱端部活塞在水舱中产生呈指数型衰减的水下冲击波。本文中采用实验与数值模拟相结合的方法对该装置产生的冲击波可靠性进行了研究,确定了一定工况内的初始冲击波强度及衰减时间常数,实验结果表明,该装置能够有效模拟水下爆炸冲击波载荷。

水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能,利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量,获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式,比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明,较相同面密度的单层板,蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形,提高夹层结构整体抗冲击性能。

高强度水下爆炸等效冲击波加载特性研究

为了实现实验室范围内的高强度水下爆炸冲击波加载,在现有非药式水下冲击波加载装置的基础上,对加载水舱的结构进行了改进,并利用实验和仿真相结合的方法对非药式高强度水下爆炸冲击波等效加载特性进行了研究,分析了飞片及活塞的质量对加载冲击波强度和衰减时间常数的影响规律,确定了该方法所产生的高强度水下冲击波加载特性。进而利用该装置对0.5 mm厚铝合金靶板进行了水下冲击波加载实验。实验结果表明,改进后的非药式水下爆炸冲击波等效加载装置能够对目标结构进行有效的高强度水下冲击波加载。

应力状态在球形弹丸撞击6061-T6铝薄靶弹道行为数值预报的作用

针对部分金属材料延性断裂、应力三轴度及Lode参数同时相关问题,将两个含Lode参数影响的断裂准则写入有限元程序ABAQUS,用于1.6 mm厚6061-T6铝合金靶板在7.9 mm直径球形弹丸撞击下断裂行为及弹道极限数值预报。为揭示应力状态影响,用两种不考虑Lode参数影响的断裂准则进行有限元计算,并与试验对比。结果表明,引入Lode参数可提升6061-T6铝合金靶板断裂行为及抗侵彻性能的数值预报效果。

钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究

为了研究碳纤维复合材料板(CFRPs)在斜侵彻下的抗弹性能,利用一级轻气炮对碳纤维复合材料板进行了70~280m/s速度范围的0°、30°和45°的侵彻贯穿实验,通过高速摄影技术测量了弹体速度和弹道轨迹。分析了冲击角度对弹道极限、能量吸收和弹道偏转的影响。结果表明:在冲击能量较低时,靶板在正冲击下的能量吸收率比斜冲击高,而当冲击能量较高时则恰好相反;此外,由于弹体穿过层合板的穿透长度随着冲击角度的增加而增加,弹道极限随着冲击角度的增加而增加;而冲击角度对弹道偏转的影响则随着冲击速度的变化而变化。

铝合金格栅夹层结构水下抗冲击特性的实验研究

基于非药式水下爆炸冲击波加载技术,对格栅型夹层结构的动态响应及抗冲击防护性能,进行了实验研究。利用高速相机,对夹层板的动态变形情况进行了实时观测,获得了格栅夹层板气背面在水下冲击波作用下的动态响应历程,并结合相同面密度单层板在水下冲击波作用下的抗冲击变形结果,对比分析了铝合金格栅夹层板的抗冲击防护性能,获得了格栅型夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波量纲一冲量间的定量关系。

非药式水下爆炸冲击波特性数值模拟研究

非药式水下爆炸冲击波模拟实验可以克服炸药式水下爆炸耗费大、危险性高等困难,对研究水下爆炸冲击波载荷作用下舰艇的动态响应与损伤具有重要意义。本文运用实验与仿真相结合的方法对非药式水下爆炸冲击波特性进行了研究,分析了不同飞片质量、速度及活塞质量对冲击波载荷强度和衰减时间常数的影响规律,建立了预测非药式水下爆炸冲击波初始峰值和初始冲击波衰减时间常数的经验公式。结果表明:水下爆炸初始冲击波峰值与飞片的初始撞击速度成正比,与飞片及活塞的质量无关。初始冲击波的衰减时间常数仅随飞片和活塞质量的改变而改变,飞片的初始撞击速度对其无显著影响。

复杂应力动态加载下颗粒增强复合材料失效模式研究

为解决战斗部颗粒增强复合材料因装药损伤引起局部"热点"而发生提前起爆问题,对颗粒增强复合材料在复杂应力动态加载下的损伤特性进行研究。基于一级轻气炮,对颗粒增强复合材料在三轴向冲击载荷作用下的损伤失效模式进行试验研究,分析轴向和径向边界约束条件对颗粒增强复合材料宏观损伤形式的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)探索冲击载荷与细观损伤模式的内在关联。结果表明:颗粒增强复合材料宏观损伤特性主要表现为挤压变形;晶体颗粒表面与黏结剂剪切脱黏强度约为0.3 MPa,在较小冲击载荷作用下,颗粒表面与黏结剂已产生剪切脱黏,随冲击载荷的增大,出现晶体颗粒"孪晶带",大尺寸颗粒易受到应力集中影响,先于小尺寸颗粒发生断裂破坏,急剧冲击波能量迫使颗粒表面微裂纹发生断裂,从而演变成整个颗粒破碎情况,甚至部分出现融化现象。

冲击载荷作用下导弹战斗部装药起爆特性研究

针对远程导弹在攻击地下目标过程当中时常发生对战斗部PBX炸药装药起爆毁伤效应估计不足情况,进而对导弹战斗部PBX炸药装药在高过载冲击载荷作用下的起爆响应特性进行研究。基于二级轻气炮,对导弹战斗部PBX炸药装药跨声速冲击载荷起爆特性进行一系列试验研究,结合试验结果、数值模拟、以及相关理论分析,探索能量释放行为与冲击载荷之间的相互关联,并建立相互影响机制模型。结果表明,PBX炸药装药的临界起爆压力为5. 34 GPa,完全起爆压力为12.39 GPa;建立的能量释放量和相对反应率与冲击载荷之间的相互关系与试验数据基本吻合,研究结果可为国防防御技术研究提供一定的参考价值。

Taylor冲击载荷作用下PBX炸药细观损伤模式及机理研究

空对地钻地弹在高速侵彻过程中,装药部的提前起爆严重影响到对攻击目标的毁伤作用,针对这个急迫需要解决的问题,对装药部(PBX炸药)在高g值载荷作用下的细观损伤模式及机理进行研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统监测实验试件击靶速度,由压电传感器采集实验试件应力状态,进而通过Taylor冲击加载方式对PBX炸药损伤形式进行实验研究。基于细观损伤理论,结合扫描电子显微镜(SEM)对其损伤模式进行分析,结果表明,在较小冲击载荷作用下,晶体颗粒表面与粘结剂之间的剪切脱粘细观损伤模式最先发生;随着冲击载荷能量的增加,产生了细观损伤裂纹,并不断沿应力薄弱路径急剧传播,且萌生新的损伤裂纹,裂纹传播错综复杂,进而导致颗粒破碎,发生穿晶断裂、粘结剂劈裂等细观损伤模式,从而导致该PBX炸药宏观损伤裂纹的出现。PBX炸药细观损伤理论对该PBX炸药细观损伤模式的预测结果与实验分析结果基本相符,该细观损伤理论为其细观损伤机理研究提供了重要依据。

高g值载荷作用下离散颗粒增强复合材料损伤特性研究

针对钻地弹攻击地下深层目标过程中,战斗部离散颗粒增强复合材料装药提前起爆现象进行高g值加载条件下的损伤形式研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统测量试件击靶前速度,压电传感器监测试件击靶端面应力状态,在Taylor冲击加载下的损伤特性进行试验,分析冲击载荷压力对离散颗粒增强复合材料宏观损伤特性的影响及其细观损伤模式及机理。结果表明:随冲击载荷压力不断增大,细观损伤模式为晶体颗粒表面与黏结剂间的剪切脱黏、孪晶带、穿晶断裂以及黏结剂劈裂等,细观损伤裂纹的加剧引起宏观裂纹产生,裂纹扩展断裂从而导致试件宏观损伤。晶体颗粒剪切脱黏强度模型和裂纹扩展断裂强度模型计算与试验结果基本吻合,为离散颗粒增强复合材料细观损伤机理研究提供重要参考依据。

超高速撞击充气压力容器二次碎片减速运动建模研究

针对空间碎片超高速撞击充气压力容器的二次碎片减速运动问题,首先根据弹丸撞击容器前壁后的破碎程度,将二次碎片分为弹丸未破碎、未完全破碎及完全破碎3种模式,分别建立了二次碎片未受气体扰动时的初始模型;然后采用理论分析手段,应用流体动力学、气-固两相流理论,对弹丸不同破碎模式下的二次碎片在容器内的运动过程进行分析,建立了二次碎片减速运动的计算模型,通过与数值模拟结果的比较,验证了计算模型的有效性。

2A12铝合金本构关系和失效模型

通过万能材料试验机、扭转试验机、霍普金森拉杆和Taylor撞击实验研究高强铝合金2A12在常温至250℃的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值仿真得到了模型参数。实验结果表明,2A12铝合金的应变强化效应和温度软化效应显著,而应变率硬化效应不显著;失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的增加而增加。

7A04铝合金的本构关系和失效模型

使用万能材料试验机、扭转试验机和Taylor撞击实验研究了高强铝合金7A04在常温至250℃的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值模拟标定了模型参数。实验结果表明,7A04铝合金的应变和应变率强化效应不显著,失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的减小而增加。