金属靶体材料动力硬度测试及动态阻力分析

以高速侵彻下45钢靶体侵彻阻力为研究对象,开展了弹体高速侵彻45钢靶体试验,获取了典型弹体对45钢靶体的成坑参数。基于高速侵彻阻力模型对靶体侵彻阻力及影响因素进行分析。结合流体动力学侵彻模型对不同弹体材料侵彻45钢靶体侵彻深度规律进行研究。研究结果表明:随着撞击速度的增大,45钢的靶体阻力从5. 13 GPa减小到3. 7 GPa;基于材料动力硬度测试方法的靶体动态阻力测试结果和理论计算结果吻合较好;随着靶体动态屈服强度的增大,靶体阻力呈线性增大的趋势;侵彻深度及靶体动态阻力理论计算结果和试验数据吻合较好,说明所提动态阻力确定方法可行,可为高速侵彻动力学研究提供参考。     

包覆式复合侵彻体的数值模拟研究

为增强聚能装药对目标的后效毁伤效应,设计了一种包覆式复合侵彻体装药结构,在爆轰波的驱动下,紫铜药型罩后翻包覆活性材料,穿透目标后,活性材料释能对目标内部实施纵火后效毁伤。运用LS-DYNA有限元软件对包覆式复合侵彻体的成型及侵彻靶板过程进行模拟,分析了活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响。结果表明：将活性材料嵌入紫铜药型罩内侧,在炸药驱动下可以实现对活性材料的包覆;当活性罩直径取值为0.86D(D为装药直径)时,外曲率半径取值为1.15D,壁厚比取值为2/3时,复合侵彻体包覆效果较好;包覆式复合侵彻体能穿透30 mm厚45#钢靶,并能对后效靶造成毁伤。     

长杆射弹对钢纤维混凝土靶开坑特性的实验研究

为考察射弹对钢纤维混凝土靶的侵彻特性,采用57mm轻气炮,进行了小尺寸模拟射弹对钢纤维混凝土靶(钢纤维的体积分数为2%)的侵彻实验。实验中观察了钢纤维混凝土靶的开坑形状,测量了射弹的击靶速度,并且采用注沙法测出靶体的开坑体积,计算出射弹对靶体的侵彻体积,得到了长杆射弹的动能与侵彻体积的关系。引入射弹单位面积的冲击动能和靶体单位侵彻体积的冲击动能,结合钢纤维混凝土靶的实验数据,考察了两者之间的关系。     

结构参数对聚能射流侵彻性能的影响

聚能射流的侵彻能力主要由药型罩锥角角度(α)、药型罩厚度(β)、装药长径比(γ)以及装药外壳厚度(d)4个因素共同决定,为提高射流侵彻效能,对装药结构进行设计时,需要综合考虑各因素对侵彻效能的影响程度。对不同装药结构形成射流的过程进行数值模拟,取1.5倍炸高位置处的射流头部剩余速度以及射流有效长度作为评判射流侵彻能力的依据,对上述4个因素进行正交试验设计,研究各因素影响程度大小。开展射流侵彻靶板的试验,验证仿真方法的正确性。各因素对射流头部速度影响的主次顺序为：β>α>d>γ;对射流有效长度影响的主次顺序为：α>β>d>γ。研究结果可为聚能装药结构设计提供参考,可按各参数影响程度大小对装药结构进行设计。     

破片模拟弹侵彻钢板的有限元分析

根据破片模拟弹侵彻钢板的实验研究,采用MSC.Dytran对破片模拟弹侵彻钢板的侵彻过程、侵彻特性、钢板的破坏模式以及弹体的侵彻速度、靶板的侵彻阻力进行了有限元分析,并将分析结果与实验结果进行了比较.分析结果表明,破片模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程可大致分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段.有限元分析的破片模拟弹侵彻特性及靶板破坏模式与实验观测结果有较好的一致性,在靶板破口的正面,与弹体平面凸缘两端接触的部分,变形以剪切为主,而与切削面接触的部分,以挤压变形为主;靶板破口背面为剪切冲塞破坏;有限元模拟的弹体剩余速度与实验结果吻合较好,弹体侵彻过程中弹靶作用界面的速度和侵彻速度近似呈线性变化.有限元分析结果还表明,采用适当的模型,有限元法能较好地模拟破片模拟弹侵彻钢板的侵彻过程、侵彻特性以及钢板的破坏模式.     

横向效应增强型弹垂直侵彻薄靶的轴向剩余速度理论分析

为了得到横向效应增强型弹（Penetration with Enhanced Lateral Efficiency projectile, PELE）对金属薄靶垂直侵彻后的弹体轴向剩余速度，运用平面冲击波理论，对PELE的侵彻机理进行分析。参照平头弹体对靶板的侵彻模型，将PELE侵彻过程中的能量损失划分为以下几个部分：外壳体和内芯撞靶区域对应的环形塞块获得的能量、冲击波作用下弹体的内能增量以及剪切耗能等。然后根据能量守恒原理，得到PELE垂直侵彻金属薄靶后的PELE弹体轴向剩余速度的理论模型。为了验证该模型的合理性和准确性，设计相应的试验进行验证。结果表明，不同条件下得到的试验结果和理论模型得到的计算结果均吻合得较好。因此，得到的PELE垂直侵彻薄靶的轴向剩余速度理论模型可为工程应用提供指导和参考。     

长杆射弹侵彻三种混凝土靶的实验研究

为了研究钻地武器的侵彻性能,在57mm口径的气炮上发射长杆射弹对三种靶体进行模拟侵彻实验。靶体为水泥砂浆石靶、钢纤维混凝土靶和含单层密排刚玉球的钢纤维混凝土靶。实验结果表明,弹头形状对侵彻深度有明显影响;当长杆射弹和撞击速度都相同时,与侵彻钢纤维混凝土靶相比,含单层密排刚玉球的钢纤维混凝土靶中的侵彻深度大约降低了11%,而水泥砂浆石靶中的侵彻深度增加了12%。     

球形头部弹丸侵彻运动靶板的数值模拟

为研究球形头部弹丸高速侵彻运动靶板的侵彻规律,运用LS-DYNA动力分析软件仿真研究了不同条件下球形头部弹丸对靶板的正侵彻效应,获得了运动靶板厚度、材料和弹丸着速3种参数对侵彻过程中弹丸弹道偏移、翻转角度和剩余速度的响应规律。结果表明,随着着速的提高,弹丸翻转幅度和弹道偏移量逐渐减小;随着靶板厚度的增加,弹丸正向翻转角度和轴向剩余速度显著减小,而弹道偏移量增大;3种材料运动靶板中,4340钢靶对弹丸弹道偏移、翻转角度和剩余速度的影响最大,Weldox460钢次之,LY12铝最小。     

一种由金属陶瓷单元构成的间隔装甲抗射流侵彻性能研究

为了获得由金属陶瓷复合单元构成的间隔装甲的抗侵彻性能,基于180 mm大口径聚能装药,开展了侵彻试验和仿真研究。通过分析靶板的破坏情况以及仿真中射流与靶板的相互作用过程,揭示了复合装甲对射流的干扰机制。采用剩余穿深等效准则,获得了不同着角下复合装甲的等效靶厚度。研究结果表明：斜侵彻条件下,金属陶瓷复合单元能够通过向射流头部施加不对称作用力,以及利用孔壁形成切割作用2种方式削弱射流的侵彻能力。同时,防护系数计算结果显示,在45°着角条件下,由金属陶瓷复合单元构成的间隔装甲具有良好的抗弹性能,可达到试验用聚能装药极限侵彻能力的1/4。     

靶体表面破碎对侵彻深度的影响

本文从弹体侵彻现象着手,根据Ｇｒａｄｙ的能量断裂破碎观点分析靶体表面破碎所造成的弹体侵入能量损失,按能量守恒原理计算弹体经过第一部分弹抗后的剩余速度,然后根据型型空腔理论计算弹体在靶体介质中的侵入深度,并分析靶体表面破碎弹坑对弹体整个侵彻深度的影响。     

弹丸旋转速度对侵彻运动靶板影响

以35 mm穿甲弹为研究对象,采用JC本构模型,利用ANSYS LS-DYNA动力学分析平台,对不同旋转速度下弹丸侵彻运动装甲钢板进行了模拟研究,从弹丸侵蚀和弹靶作用两方面分析了侵彻效应的相关规律。研究结果表明旋转速度对弹丸侵彻性能具有一定影响：靶板在超音速及亚音速运动条件下,弹丸旋转速度的提高对侵彻性能的影响呈现先提高后降低的趋势;而对于低速运动状态下的靶板,弹丸侵彻性能对弹丸的旋转速度敏感度较低,无相关影响趋势。该研究结果对于不同弹靶交汇条件下提高弹丸侵彻毁伤目标能力具有一定参考意义。     

聚能射流侵彻下舰船钢与均质钢的等效关系

基于剩余穿深理论,依据聚能射流对钢靶板侵彻毁伤作用机理,推导出2种等效模型,并结合数值模拟建立了聚能射流侵彻下某舰船装甲钢与603钢靶板的等效关系。结果表明:当舰船钢厚度较小时,舰船钢与603装甲钢的等效厚度比约为1;当舰船钢厚度较大时,两者等效厚度比约为1.13。由此等效关系可给出用于战斗部考核性穿靶试验中相应均质靶板的确定厚度,从而为用603装甲钢靶代替该舰船钢进行聚能射流威力考核试验提供依据,达到了简化、经济、方便、有效的目的。     

药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究

为研究药型罩结构对线型聚能装药的影响,采用有限元软件LS-DYNA对不同截顶高度的锥顶、平顶与圆顶结构的线型聚能装药侵彻45钢靶板的过程进行了仿真分析。结果表明：不同结构的线型药型罩对线型聚能装药射流的成形与侵彻性能造成较大影响;平顶结构线型聚能装药在截顶高度为16 mm时有最优侵彻性能,较锥顶结构最大侵彻深度提升6.3%;圆顶结构线型聚能装药在截顶高位为10 mm时有最优侵彻性能,较锥顶结构最大侵彻深度提升15.6%。     

球头弹低速斜侵彻下靶板穿甲破坏机理

为探讨球头弹低速斜侵彻下靶板的破坏机理,通过系列弹道试验,对比分析不同初始速度下弹体的变形、靶板的破坏模式以及靶板的破口大小和形状;同时采用ANSYS/LS-DYNA对弹靶作用过程进行数值模拟。结果表明:低速斜侵彻下靶板响应非完全对称,根据受力特征可将靶板划分为四个不同区域,即接触区、弯曲区、拉伸区、对称区;薄板的穿甲破坏可分为四个不同的阶段,即隆起变形、碟形变形、弯曲变形、弹体贯穿阶段;不同初始速度下靶板出现四种典型的穿甲破坏模式,随着初始速度的增加依次为隆起—碟形变形、隆起—碟形变形—拉弯撕裂破坏、隆起—碟形变形—拉弯剪切破坏、隆起—拉弯剪切破坏。斜侵彻下靶板破口形状为椭圆形,随着初始速度的增加,破口长径不断减小,形状由椭圆形向卵形过渡。     

大长径比弹体侵彻混凝土结构强度、稳定性及振动特性研究

针对典型大长径比弹体SDB在侵彻混凝土靶时的结构强度及稳定性问题,基于空腔膨胀阻力模型,给出了其在不同打击工况下极限安全壁厚、抗弯破坏临界倾角及攻角的控制要求。基于压弯耦合屈服条件,研究了着靶速度、着靶姿态及无量纲壁厚对弹体结构塑性弯曲失稳的影响规律,进一步得到了保证弹体稳定条件下结构参数(长径比、无量纲壁厚)、着靶状态参数(着靶速度、着靶姿态)及弹体材料强度间的耦合约束控制条件。考虑大长径比对弹体结构振动响应的影响,通过有限元模态分析及谐响应分析获取了弹体结构的固有频率及模态振型,揭示了结构的振动响应特性。研究结论和成果可为大长径比弹体结构设计、能力评估及弹目交汇参数控制提供思路和依据。     

PELE正侵穿金属薄靶轴向剩余速度近似计算与分析

运用冲击波理论,对横向效应增强型弹丸(Penetration with Enhanced Lateral Efficiency,PELE)侵穿金属靶板的机理进行了分析,将PELE侵彻过程中能量损失分为外壳和内芯撞击靶板区域环形塞块获得的能量,冲击波影响范围内外壳和内芯增加的内能,外壳前端外沿和内沿对靶板冲塞剪切耗能等,给出了确定这些能量的计算方法;并依据能量守恒原理,给出了PELE正撞金属薄靶板靶后剩余速度的近似计算公式。公式计算结果与多种条件下实验结果均吻合较好。分析计算所得各能量损失结果表明,弹体内芯材料的变化对弹体侵彻能力的影响较小;侵彻中靶板塞块获得的能量在弹体侵彻动能损失中比重最大;外壳前端内沿对靶板的剪切能耗对弹体动能损失的影响可以忽略。     

着靶速度对侵彻膨胀弹横向效应的影响

在建立弹靶模型的基础上,采用有限元软件LS-DYNA对装填尼龙的侵彻膨胀弹以不同着靶速度侵彻4340钢靶板的过程进行了数值模拟。结果表明:着靶速度对侵彻膨胀弹横向效应的产生有一定的影响。在PELE能够穿透靶板的前提下,随着着靶速度的进一步增加,横向效应的作用区域呈现出先减小后增大的趋势,而PELE穿透靶板后的速度损失越来越小;综合考虑横向效应的有效发挥和常规发射条件,PELE着靶速度的选取应选取800 m/s~1 300 m/s较为合适。     

钨杆超高速侵彻混凝土靶侵彻深度研究

为探究钨杆超高速侵彻混凝土靶的侵彻深度随弹体初速的变化规律,利用125 mm火炮开展钨合金杆弹侵彻混凝土试验,验证了数值模拟的合理性。利用LS-DYNA有限元软件,对超高速侵彻过程进行数值模拟,结合数值模拟结果进一步分析超高速侵彻过程。研究结果表明：(1) 0.2～1.6 km/s速度范围内,弹体质量侵蚀率与弹体初始动能呈线性关系;(2)侵彻深度随弹体初速增加呈现先增加后减小现象,在初速1.2 km/s附近存在侵深最大值约80倍弹径,超高速条件下侵彻深度对于中低速侵彻并无优势;(3)随着侵彻速度的增加,流体侵彻阶段的侵深变化不大,而刚体侵彻阶段大幅度降低,使总侵深大幅降低,导致总体侵深曲线呈现先增大后减小的趋势。     

非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究

为研究非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特征,利用有限元软件LS-DYNA开展了圆、椭圆和非对称椭圆截面弹体在800 m/s速度下侵彻钢板的数值模拟研究,分析了着角、攻角和弹靶结构参数对弹体所受动态载荷的影响规律。结果表明：正侵彻时,3种截面弹体受到的轴向冲击载荷基本相似,但非对称椭圆弹体还会在头部和尾部过靶时分别受到横向冲击载荷作用;仅存在着角时,3种弹体的侵彻过程均可分为弹头触靶、弹头穿靶和弹身过靶3个阶段,其中弹身过靶阶段会受到持续载荷作用,弹头和弹尾过靶时也会出现两次横向载荷峰值;正着角条件下,攻角越大轴向载荷越大。攻角为正时,横向载荷首先减小然后反向增大,且缩短了侵彻持续时间;负攻角则加强了着角对载荷的影响,并增加了侵彻时间;截面不对称度大于1时,正着角的影响得到强化。此外,弹体载荷随靶厚的增大而增大,而弹体不对称度和长径比对其动态载荷的影响相对较小。     

高速弹丸侵彻混凝土靶板等效厚度研究

利用LS-DYNA软件对弹丸垂直侵彻贯穿C35强度混凝土靶板的过程进行了数值模拟,建立了混凝土靶板与等效靶的模型,获得混凝土靶板与等效靶的厚度转换关系.弹丸分别以1200、1000、800 m/s的速度垂直侵彻贯穿不同厚度混凝土靶板,获得不同厚度下混凝土靶板剩余穿透速度;以45#钢作为等效靶材料,根据靶体吸收动能等效原...