亚音速超空泡射弹尾拍动力学响应分析

超空泡射弹在运动过程中存在尾拍现象,在高速运动条件下,水的可压缩性是影响射弹尾拍运动的主要因素之一。文中考虑了流体与结构相互耦合的影响,建立了射弹尾拍运动的无约束动力学方程,使用有限元法求解得到了超空泡射弹在尾拍载荷作用下的动力学响应,并研究了马赫数对射弹动力学响应的影响。研究结果表明：亚音速条件下,流体的可压缩性使超空泡射弹刚体转动和弹性振动位移的周期和幅值增大;流体的可压缩性对结构弹性位移响应的影响随马赫数的增大而逐渐增大。     

超空泡射弹异步并联入水流场与运动特性研究EI北大核心CSCD

为研究超空泡射弹异步并联入水性能,基于Fluent流体仿真软件,采用有限体积法、VOF多相流模型以及重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联入水数值方法,利用高速摄影机及轻气炮进行了单发射弹高速入水试验,通过对比仿真结果与试验结果验证了数值方法的可靠性。在此数值方法的基础上,分别对弹丸初始纵向间距为0,0.5,1.0,1.5,2.0及3.0倍弹长时并联超空泡射弹入水的过程进行了数值模拟,并对比分析了不同纵向间距下两发射弹的流场特性与运动特性。研究结果表明,异步并联弹丸空泡间的耦合关系与同步并联相比变化明显。当初始纵向间距为0.5倍弹长时,弹1空泡受到弹2空泡的剧烈挤压,弹1右侧刺破空泡发生一次尾拍;当初始纵向间距为3.0倍弹长时,弹2受弹1空泡干扰明显,入水后期弹丸完全失稳。相比起同步并联,异步并联时弹2所受入水冲击载荷较小,并且随着初始纵向间距由0增加到3.0倍弹长,弹2所受入水冲击载荷呈现递减趋势。     

超空泡射弹尾拍结构动力学响应分析

超空泡射弹在运动过程中存在尾拍现象,导致结构发生振动,影响射弹的弹道稳定性,降低射弹结构的可靠性。该文建立了射弹无约束动力学方程,使用有限元法求解得到了超空泡射弹在尾拍载荷作用下的动力学响应,并对射弹的加固模型进行了分析,给出了环状加强筋个数、直径以及间距对降低射弹振幅效果的影响。研究结果表明:超空泡射弹在尾拍运动过程中转动周期和幅值随加强筋个数的增大而增大;射弹头部的弹性振动幅值随加强筋个数和直径的增大而减小,振动周期亦随加强筋个数的增大而减小;加强筋距离的减小,对于降低射弹中部振幅效果明显,但对射弹头部的振动几乎没有影响。     

2×1500m双主跨斜拉桥静风失稳机理研究

静风稳定性是千米级超大跨斜拉桥抗风性能的主要考验之一。以某主跨2×1 500 m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用全桥气弹模型风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面深入揭示了该结构体系静风失稳机理。风洞试验发现,结构在+3°和0°初始风攻角下出现了明显的静风失稳前兆,静风失稳先于颤振失稳发生。基于增量与内外两重迭代相结合的非线性静风稳定分析方法,研究了结构失稳过程结构位移响应演变特性,并与风洞试验结果进行了对比,表明二者具有较好的吻合性。-3°初始攻角下的静风失稳临界风速远高于+3°和0°初始攻角。为了揭示上述现象发生的内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力,阐述了失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变关系,研究表明:结构静风稳定性取决于失稳过程结构刚度演变特性,而后者与结构响应密切相关。-3°初始攻角下主梁整体向下的竖向位移强化了拉索、主梁和桥塔形成的稳定三角关系,这是该初始攻角下静风稳定性远优于+3°和0°初始攻角的最根本原因。-3°初始攻角时,结构失稳形态表现为明显的主梁一阶正对称扭转与主梁一阶反对称扭转耦合振型失稳,与单主跨斜拉桥明显不同。研究首次在风洞试验中再现了双主跨大跨度斜拉桥静风失稳现象,并揭示了大跨度斜拉桥静风失稳内在机理,对今后我国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

非定常通气超空泡分叉突变特性研究

针对非定常通气超空泡的不稳定性,采用分叉与突变理论分析通气超空泡失稳现象发生的机理。基于Logvinovich空泡截面膨胀独立性原理及通气质量平衡方程,得出联系非定常通气超空泡长度及空化数的积分方程。根据积分思想,将积分方程分解为两个第一类Volterra积分求解,得出线性小扰动系统,对静态分叉引发的状态突变进行定性分析,并通过数值仿真进行了验证。理论分析及数值仿真结果表明,非定常通气超空泡在平衡点处呈现的跨临界分叉将导致非定常通气超空泡在分叉点处产生突变。此现象揭示了稳定通气超空泡在临界值处改变通气参数所导致的空泡失稳的机理,有助于超空泡航行体稳定航行控制系统的设计。     

绕回转体初生空化流场特性的实验及数值研究

该文采用实验与数值模型相结合的方法对绕回转体的初生空化流场进行了分析,研究了头型对初生空化流场特性的影响,数值模型中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型(FBM),实验中,采用高速录像技术观察了初生空化形态,并应用粒子测速系统(PIV)测量了相应工况下,初生空化流场的速度及涡量分布,研究结果表明:头型对绕回转体的初生空化流场具有显著的影响,不同回转体的初生空化数随着肩部曲率突变增大而逐渐增大,在初生空化工况下,平头和锥头回转体肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空化首先在该分离区域内产生,而不是发生在回转体的物面上或在物体邻近处,此时,初生空化流场体现出明显的漩涡脉动特性,流场中的低速高脉动区域对应于空化核心区,涡量主要亦集中在该漩涡分离区域内,对于圆头回转体,其初生空化流场比较稳定,“指状”的片状空泡附着在回转体表面上。     

苏通大桥静风响应分析

给出了大跨度缆索承重桥梁静风响应的分析步骤;全面研究了苏通大桥在静风作用下,桩基础刚度、拉索分段、风速剖面、主梁初始攻角和附加攻角等对主梁和桥塔静风位移、静风失稳风速及结构振动频率的影响,并与风洞试验结果进行对比分析。结果表明:静风位移计算值低于风洞试验实测值,雷诺数是其主要原因;如果不考虑桩基础刚度影响,结构侧向位移响应会被严重低估;斜拉索横向风荷载在总体风荷载中所占比例超过40%;不考虑主梁附加攻角会高估静风失稳风速约20%;静风作用下一阶对称竖弯、侧弯和扭转模态频率计算结果与全桥气弹模型风洞试验结果特点相似。     

近壁面空化冲击颗粒破碎效果的影响因素研究

为提升近壁面空化冲击的颗粒破碎效率,对颗粒破碎效果的影响因素开展了研究。首先确定了液相中空化冲击破碎颗粒的基本方式:近壁面空泡溃灭时产生的高速微射流会驱动空泡内部的颗粒撞击壁面,造成颗粒破碎。由颗粒破碎的基本方式确定了影响颗粒破碎效果的主要因素;理论分析了微细颗粒穿过流体空化泡壁的动态过程,计算了不同粒径的运动颗粒能够穿过空化泡壁的初始速度及初始距离条件;分析了颗粒粒径大小对于近壁面空化泡溃灭微射流的削弱作用,计算了近壁面空化冲击破碎颗粒的无量纲距离条件。基于理论分析结果,开展了基于颗粒体积分数、入口压力、颗粒大小及转速率等多因素的石英砂颗粒球磨空化冲击破碎实验。结果表明,实验后各实验点的中位粒径D₅₀和特征粒径D₁₀均明显减小,粒径小于10μm的颗粒占比由实验前的6.2%提升至59.3%,验证了上述因素对颗粒破碎效果的影响作用。     

大初始缝高比混凝土试件双K断裂参数的试验研究

双K 断裂准则能够定量描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。该文采用混凝土三点弯曲梁试件,通过在试验中测得的起裂荷载P_ini、最大荷载P_max及临界裂缝口张开位移CMOD_C计算了初始缝高比为0.3~0.9共7组试件的起裂断裂韧度K_ICini 和失稳断裂韧度K_ICun 。结果表明,当初始缝高比为0.3~0.7时,混凝土裂缝扩展经历起裂、稳定扩展和失稳破坏3 个阶段,双K 参数均是与初始缝高比无关的材料参数;当初始缝高比大于或等于0.8 时,混凝土裂缝起裂后便进入失稳扩展阶段,起裂荷载即为最大荷载,且计算得到的K_ICini 仍与初始缝高比无关。因此,在确定K_ICini 时,仅需测得初始缝高比大于或等于0.8试件的P_max,将P_max作为P_ini直接计算得到K_ICini。同以往的试验方法相比,其结果更为准确且试验方法简单。     

材料内阻对旋转复合材料轴动力学稳定性的影响研究

由于复合材料与金属材料相比,具有更为突出的阻尼耗散能力,超临界旋转复合材料轴在材料内阻的作用下更容易产生不稳定自激振动。从复合材料本构关系、应变-位移关系基本方程出发,基于Bernoulli-Euler梁理论,并考虑复合材料的黏弹性阻尼耗散特性,在导出旋转复合材料轴的动能、势能和内阻耗散能的基础上,采用Hamilton原理建立了转子系统的运动微分方程,采用Galerkin法对复数形式的弯曲方程进行求解,导出转子系统的特征方程。通过数值分析得到固有频率-转速曲线和阻尼-转速曲线,求得了临界转速和失稳阈。研究了铺层角、长径比和铺层方式的影响。模型结果的正确性,通过与文献结果对比,得到了验证。     

Perforation of high-strength fabric by projectiles of different geometry

This paper investigates the ballistic limits, energy absorption behaviour and the mechanisms that lead to perforation in Twaron^® CT 716 plain-woven, single-ply fabric by different shaped projectiles. The projectile shapes tested are flat head, hemispherical head, ogival head (CRH 2.5) and conical head (half angle of 30°).Results show that while the amount of energy absorbed by the fabric is quantitatively different for all four projectiles, they show similar trends—energy absorbed increases with impact velocity up to a critical impact velocity before it starts to decrease. The energy absorption capability of the Twaron^® fabric is explained by considering how impact energy is converted to strain energy and kinetic energy of the fabric. Each projectile shape was also found to perforate the fabric through different mechanisms—yarn rupture, fibrillation, failure by friction, and bowing.     

弹丸贴膛一般运动与减小射弹散布措施的研究

本文建立了非对称弹丸前定心部紧贴炮膛壁一般运动的横向运动微分方程;求得了对称弹丸在膛内的贴膛运动规律,并与弹带中心沿炮膛轴线运动假设下的弹丸贴膛运动进行了对比。指出了减小射弹散布的措施。     

椭球弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击.本文采用AUTODYN软件进行了椭球弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏碎片云的数值模拟.给出了三维模拟的结果.研究了在相同质量的条件下,不同长径比椭球弹丸以不同速度和入射角撞击防护屏所产生碎片云的特性,并与球形弹丸撞击所应产生的碎片云特性进行了比较.结果表明:在相同的速度下,不同长径比椭球弹丸撞击的碎片云形状、质量分布和破碎程度是不同的,随撞击入射角的增加弹丸的破碎程度增大,滑弹碎片云的数量增加;随撞击速度的增加,弹丸的破碎程度也增加.     

Necking and radial cracking around perforations in thin sheets at normal incidence

The formation of multiple necks and cracks around perforations in ductile materials is investigated. Expressions are obtained for the number of plane-strain radial necks formed by conical penetrators (with or without starter holes in the flat target), and also by round-ended projectiles into flat targets having starter holes or, in plain targets with no starter holes, after fracture of the initial circumferential neck has detached a circular cap of material (“discing”). Likewise, expressions are derived for the number of radial cracks which form subsequently in both cases and lead to “petalling”. The number of cracks is smaller than the number of necks. Experiments seem to agree with the analyses, although accurate counting of necks in thin sheets is illusory.     

高能炸药驱动下弹体膨胀破碎过程试验研究

为了获得高能炸药驱动下战斗部壳体破碎机理,选取新型弹体材料30CrMnSiNi2A钢、40CrMnSiB钢以及典型弹体材料50SiMnVB钢,采用超高速摄影技术拍摄壳体静爆,获得了不同弹体材料壳体膨胀破碎过程,引入弹体径向膨胀系数,建立了考虑弹体材料性能影响的壳体径向膨胀距离随时间变化的函数关系式,并试验测定了三种材料弹体形成破片的最大初速。分析试验结果发现,新型弹体材料壳体膨胀速度和破片初速更大,相比50SiMnVB钢壳体,30CrMnSiNi2A钢和40CrMnSiB钢壳体形成破片的最大初速分别提高了19.0%和31.9%。不同合金钢材料壳体形成破片初速沿壳体轴向分布规律相同,最大初速出现在距起爆点约70%圆筒长度处。该研究结果将为杀爆战斗部壳体材料选取及设计提供参考依据。     

Impact of conical tungsten projectiles on flat silicon carbide targets: Transition from interface defeat to penetration

Normal impact of conical tungsten projectiles on flat silicon carbide targets was studied experimentally and numerically for half apex angles 5° and 5–15°, respectively, and comparisons were made with cylindrical projectiles. A 30 mm powder gun and two 150 kV and four 450 kV X-ray flashes were used in the impact tests. The numerical simulations were run with the Autodyn code in two steps. In the first, the surface loads were determined for different impact velocities under assumed condition of interface defeat. In the second, these surface loads were applied to the targets in order to obtain critical states of damage and failure related to the transition between interface defeat and penetration, and the corresponding critical velocities. In the impact tests, interface defeat occurred below a transition velocity, which was significantly lower for the conical than for the cylindrical projectiles. Above the transition velocity, the initial penetration of conical projectiles differed markedly from that usually observed for cylindrical projectiles. It occurred along a cone-shaped surface crack, qualitatively corresponding to surface failure observed in the simulations. The transition velocity for the conical projectile was found to be close to the critical velocity associated with this surface failure.     

圆锥头弹体冲击复合材料层合板数值模拟

采用ABAQUS软件建立了圆锥头弹体正冲击复合材料层合板的有限元模型,并与已有文献结果进行对比验证了模型的可靠性,进而研究圆锥头弹体以不同的入射角度冲击复合材料层合板时初始速度与剩余速度的关系、复合材料层合板的破坏形态及弹体发生跳弹的规律。结果表明：弹体以90°入射角冲击复合材料层合板,在距离临界速度较大时,弹体的剩余速度与初始速度呈线性关系;不同的初始速度对复合材料层合板的损伤面积和破坏机制也不相同;弹体的入射角度越小、复合材料层合板越厚,越容易产生跳弹现象,并给出了入射角度和铺陈层数对跳弹现象的影响规律。该研究可为各种防护装备的设计和优化提供参考。     

超声速旋转火箭弹气动流场的微楔控制

超声速弹箭表面的流体分离是影响飞行稳定的主要影响因素之一。研究表明,微楔涡流发生器可有效控制超声速流体边界层的流动分离。该文基于制式122火箭弹,通过在弹肩前端安装微楔来研究边界层流动分离控制对火箭弹气动性能的影响。运用DES方法数值模拟了122火箭弹在有无加装微楔条件下的流场变化,对比分析了微楔对弹体表面边界层结构以及弹气动数据的改变,讨论了微楔对弹的气动力及稳定性作用。数值结果表明,微楔可以抑制弹体表面流体分离,提高火箭弹的升力及俯仰力矩,减小马格努斯力矩,有利于提高其飞行稳定性及射击精度,可为相关旋转火箭弹的改进提供指导。     

Features of transformation of water projectiles moving through high-temperature combustion products

Results of an experimental investigation of transformation of water projectiles (spherical “balls” with a volume of 50–1000 mL) in the course of their free fall (from a height of 3 m) within a high-temperature (about 1100 K) gaseous medium (with the application of the standardized fire) are represented. Investigations are carried out for projectiles of water, its solutions with NaCl, and suspensions with carbon particles. Conditions and characteristics of disruption of projectiles are determined as they move through high-temperature gases. The transformation deceleration of the projectile was revealed because of its “compression” in the high-temperature zone (in comparison with moderate temperatures).