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.     

陶瓷/薄钢板复合结构靶板抗高速侵彻性能研究

为探讨陶瓷/薄钢板复合结构靶板(ceramic/thin steel targets,CS靶板)的抗高速侵彻机理,通过弹道试验,分析了3 mm厚SiC陶瓷层和0.6 mm厚钢板层的CS靶板的破坏模式和抗侵彻性能,并与面密度基本相同的纯钢板进行了比较。在此基础上,基于能量守恒原理,建立了CS靶板抗高速侵彻的理论预测模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,CS靶板中前陶瓷层的存在,使得后钢板层的破坏模式由剪切冲塞转变为花瓣开裂,大大提升了后钢板层的抗侵彻吸能效率,从而使得CS靶板的整体抗侵彻性能高于等面密度的纯钢板,CS靶板的整体抗侵彻效率较等面密度纯钢板提升15%以上;弹体穿透CS靶板后的剩余速度理论预测值与试验结果吻合较好,相对误差均在5%以内,验证了理论模型的合理性和有效性。     

预制破片侵彻靶板临界跳飞角变化规律

为研究预制破片侵彻靶板的临界跳飞角变化规律,采用数值仿真的方法对预制破片侵彻靶板的临界跳飞角变化规律进行分析.利用LS-DYNA有限元仿真软件,建立了不同形状预制破片侵彻靶板的仿真模型,通过与试验结果相对比的方式验证了模型的可信性.分析了破片形状、破片形状比例系数、破片入射速度和靶板厚度对临界跳飞角的影响规律.分析结果表明:在相同条件下,破片临界跳飞角按照圆柱形、方形和球形预制破片的顺序依次减小,随着破片入射速度和破片形状比例系数的增大而增大,并在一定范围内随着靶板厚度的增加而减小.     

G45钢破片对中大口径弹体侵彻仿真分析北大核心

为了研究不同质量G45钢破片对中大口径弹药壳体侵彻效应,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立破片侵彻壳体模型。将弹药壳体通过等效公式换为Q235钢板,开展了在不同速度下,不同质量G45钢破片侵彻等效靶板Q235钢数值模拟仿真。仿真分析结果表明:相同质量下,G45钢破片撞击靶板侵彻深度与侵彻直径随着速度增加呈现递增趋势;得到了4.7 g,9.8 g小质量G45钢破片在800~1800 m/s速度范围内无法有效穿透中大口径弹体等效靶的结论;19.5 g G45钢破片侵彻20 mm的中大口径弹体等效靶的极限穿透速度范围在1200~1400 m/s之间。     

穿甲子弹偏心入射陶瓷/钢复合靶板试验

设计并进行了7.62mm穿甲子弹侵彻陶瓷/低碳钢复合靶板的弹道试验,得到了极限速度及陶瓷锥底部半径等数据。分析了锥底半径与入射速度、面板及背板厚度的关系,着重分析了偏心入射时靶板的抗弹机理。结果表明:陶瓷锥可分为破碎区和粉碎区,粉碎区半径约为面板厚度与弹丸半径之和;当弹着点距离陶瓷面板边缘大于5mm时,靶板的抗弹性能变化不大,而弹着点位于距陶瓷面板边缘小于5mm的板边区时,抗弹性能明显降低,靶板的有效防护面积应扣除板边区。     

钛合金靶板抗105mm穿甲模拟弹倾角效应数值计算

运用AUTODYN非线性显式动力学程序,对半无限厚钛合金靶板抗105mm钨合金穿甲模拟弹的倾角效应进行了数值模拟计算。结果表明：本数值模拟条件下,倾角小于30°时,半无限厚钛合金靶板抗105mm钨合金穿甲模拟弹的倾角效应不明显;倾角在中大角度（≥30°）时,呈较明显的倾角正效应;105mm钨合金穿甲模拟弹侵彻半无限厚钛合金靶板的跳弹角β在65°～70°间。     

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。     

30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合装甲的弹着角效应研究

设计了30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合靶的弹道试验,采用高速摄像记录了弹靶作用过程,研究了弹着角、弹丸位移以及背板变形挠度的图像测量方法,通过仿真验证了该方法的可行性与准确性.基于高速摄像序列图像对弹靶作用过程进行了测量分析,结合试验数据研究了弹着角对半穿甲弹侵彻效能的影响.结果表明:弹着角导致弹丸受靶板的不对称阻力作用,侧向力及侧向力矩使得弹丸在侵彻过程中不断偏转,表现为侵彻路径呈曲线;在相同速度条件下,随着弹着角的增大,侵靶时间延长,背板变形挠度减小,侵彻效能降低.     

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。     

横向效应增强型弹丸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撞击靶板区域环形塞块获得的能量,内芯撞击靶板区域塞块获得的能量,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几部分,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。     

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。     

聚能射流侵彻靶板开坑阶段仿真研究

为研究射流侵彻靶板开坑阶段的参数变化规律,利用AUTODYN软件对聚能射流侵彻不同材料靶板的开坑过程进行仿真.仿真结果表明:铜质靶板和钢质靶板开坑阶段的侵彻深度均约4.67倍射流头部直径,陶瓷靶板开坑阶段的侵彻深度约为4倍射流头部直径.该结果与试验总结的数倍射流直径基本相符,证明了所建模型的可行性.另外,开坑阶段的侵彻深度和压力主要与靶板密度有关,而准定常侵彻阶段的压力则主要与靶板的强度有关.     

冲击波和高速破片联合作用下固支方板毁伤效应数值模拟

为探讨固支方形钢板结构在空爆冲击波和高速破片联合作用下的动态响应过程及变形破坏模式,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,开展了空爆冲击波和高速破片对固支方板的联合作用数值模拟计算,阐述了固支方板在联合载荷作用下动态响应过程的2个阶段,以及在不同爆距下的变形破坏模式和特点。结果表明,随着爆距增加,在破片密集作用区内,钢板的破坏模式存在从集团冲塞破口到部分穿孔边界撕裂联通,再到无穿孔边界撕裂现象的转换。     

侧向约束陶瓷抗侵彻性能试验研究

为研究无约束、无预应力约束及预应力约束3种条件下陶瓷抗侵彻性能的变化规律,设计了陶瓷抗侵彻穿深(Depth Of Penetration,DOP)试验,利用57 mm轻气炮试验系统分别在3种条件下对陶瓷块的抗侵彻性能进行了试验,并对试验后的陶瓷及爆炸模拟破片的碎片进行回收,对破片断面进行250倍微观形貌观察。结果表明:与无约束条件相比,无预应力约束及预应力约束可有效改变陶瓷破坏模式,对陶瓷抗侵彻能力增强明显,且这2种条件下陶瓷破碎尺寸更加细小,侵彻破片断面破坏明显加剧; 3种条件下,陶瓷防护系数排序为无约束无预应力约束预应力约束。     

一种防弹玻璃抗大口径穿燃子弹侵彻能力研究

为了研究一种防弹玻璃的抗侵彻机理,基于12.7、14.5 mm穿燃弹开展一种防弹玻璃的抗侵彻试验。通过分析侵彻后靶板的破环形貌,揭示了该型防弹玻璃对穿燃弹的抗侵彻机理。采用ANSYS/LS-DYNA软件对2种口径穿燃弹侵彻该防弹玻璃的过程进行数值模拟,对比分析装甲倾角对2种口径穿燃弹极限穿透速度的影响,以及穿燃弹初速度对剩余速度的影响,获得了该防弹玻璃的抗侵彻机理,并计算得到装甲防护系数。结果表明：弹丸初速度与极限穿透速度相同时,此时的弹道偏离角最大,随着弹丸初速度的增大,弹道偏离角减小;防弹玻璃PC背板的出孔裂缝长度与弹丸初速度成正比增长关系;弹丸初速度相同时,剩余速度随着穿燃弹口径的减小而减小,且随着初速度的增大,差值逐渐减小;通过工程算法得到该型防弹玻璃对12.7 mm穿燃弹的防护系数为0.74。     

破片侵彻多层间隔铝靶的试验及数值模拟研究

对破片侵彻多层间隔铝靶进行了试验和数值模拟研究,获得了破片在不同速度、不同侵彻角时破片的侵彻深度,在此基础上利用拟合的方式建立了计算公式,并将数值模拟结果和计算公式的计算结果进行了对比,结果表明两者吻合较好,所建立的计算公式可靠。     

高速杆式弹侵彻下蓄液结构耗能机理数值分析

为探讨蓄液结构的耗能机理,采用瞬态非线性有限元,揭示了杆式弹侵彻下蓄液结构的破坏过程和模式,研究了其能量耗散机制,并对比分析了有无液体时蓄液结构前后面板不同厚度配比下的弹道极限速度。结果表明:弹体侵入蓄液结构后,其冲击动能主要转化为液体的动能;弹体射出后,液体通过空泡膨胀挤压蓄液结构变形的方式,将其动能再逐步转化为结构的变形能。固定蓄液结构前后面板总厚度8mm不变,未蓄液下其弹道极限速度随前后面板厚度比的增大呈先增加后降低的趋势,在前后面板厚度配比为4/4时抗侵彻能力最强;蓄液时其弹道极限度随前后面板厚度比的增加而不断降低,在厚度配比为1/7时抗侵彻能力最强。     

侧向约束陶瓷抗侵彻性能数值模拟

为研究侧向约束、陶瓷尺寸及着靶位置对陶瓷抗侵彻性能的影响,利用AUTODYNA有限元仿真软件对陶瓷块分别在无约束及有约束情况下抗侵彻性能进行了数值模拟。在2种条件下,选取不同直径陶瓷块及相同尺寸陶瓷不同着靶位置为仿真方案,对陶瓷受侵彻过程中的破坏模式、变化规律进行了对比分析。结果表明:在无约束条件下,由于陶瓷尺寸减小及着靶边缘位置均导致无法形成完整陶瓷锥,陶瓷抗侵彻性能明显下降;而约束作用可有效改变陶瓷破坏模式,对陶瓷抗侵彻能力增强明显,能有效改善尺寸减小及着靶边缘位置带来的抗侵彻能力下降的问题。     

陶瓷基复合装甲防12.7 mm穿甲燃烧弹的靶试研究(Ⅳ)

利用12.7 mm穿甲燃烧弹靶试陶瓷基的3种复合装甲板,探讨弹-靶的相互作用,研究陶瓷基复合装甲结构与陶瓷材料的抗弹性能.结果发现:当陶瓷板对弹丸的阻力与弹丸的作用力平衡时,陶瓷板可将弹丸挡在陶瓷板前;Al203陶瓷的抗弹能力优于(SiC+ Si)陶瓷;须约束陶瓷板才能充分发挥其抗弹优势.在分析弹-靶作用的基础上,提出“陶瓷基复合装甲存在陶瓷组元的弹靶临界厚度”概念,当陶瓷厚度大于临界厚度时,陶瓷板能将弹丸挡在陶瓷板前,而陶瓷自身的损害几乎可以忽略;陶瓷材料存在弹靶临界厚度的必要条件是其动态硬度高于弹丸,临界厚度取决于材料动态特性、靶板结构和靶板各组元的结合强度.     

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。