考虑攻角的长杆弹斜穿透中厚铝靶机理

攻角对长杆弹斜侵彻有重要影响,该文通过大量数值模拟研究了攻角对长杆弹斜穿透中厚铝板的影响机理。基于实验验证的有限元模型,开展了变速度和攻角的多工况数值模拟,得到了侵彻过程中弹体的减加速度大小、速度方向以及整体弯曲的变化规律,分析了侵彻速度、倾角和攻角对侵彻阻力、弹体弯曲和弹道偏转的影响。结果表明:带攻角斜侵彻时,负攻角对弹体弯曲的影响明显大于正攻角,且弹体弯曲随着侵彻速度的增大而减小;随着斜侵彻速度的增大,攻角引起弹体甩尾和弹道偏转越明显,此时带攻角的斜侵彻过程的能量损耗机理明显不同于正侵彻和无攻角的斜侵彻。     

弹体攻角侵彻混凝土靶的工程计算模型

为了研究倾角、攻角等参数的变化对侵彻过程的影响,基于表面层裂机理和刚体运动学方程,建立了用于分析弹体斜侵彻混凝土靶的工程计算模型。利用该计算模型得到弹体侵彻过程中的受力和过载的变化情况,获得侵彻弹道随倾角、攻角等参数变化的规律:负攻角对斜侵彻的弹道偏转具有一定的抑制作用,正攻角对斜侵彻的弹道偏转具有放大作用。计算结果与试验数据吻合较好,表明该计算模型能准确地预估弹体斜侵彻混凝土的动力学过程。该方法可以为弹体对混凝土靶的斜侵彻弹道分析,尤其开坑、初始偏转预估提供一种实用手段。     

钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的机理研究

为探讨高速钝头弹斜侵彻中厚背水金属靶板的机理,根据不同的受力状态及耗能机制,结合中厚背水靶板抗高速斜侵彻特点,通过厚度等效,将斜侵彻转化为相应的正侵彻。然后,将整个侵彻过程分为压缩镦粗、剪切压缩和剪切扰动三个阶段。基于三阶段侵彻机制,建立了钝头弹高速斜穿甲中厚背水金属靶板后的瞬时余速计算模型,并讨论了该计算模型的局限性。采用该模型计算了3.3 g立方体弹丸斜穿甲5 mm背水钢板后的瞬时余速,理论计算值与试验结果及相应的仿真计算值均吻合较好。由于该模型考虑了靶后水介质的动支撑作用及动能耗散等效应,在一定的适用范围内,能对钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速进行合理地预测,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

战斗部侵彻过程中PBX装药动态损伤数值模拟

为研究战斗部侵彻过程中PBX装药的动态力学性能及损伤情况,进行缩比弹侵彻半无限大混凝土靶板的数值模拟。PBX装药采用内聚力裂纹模型,通过计算PBX装药的损伤演化过程,获得单元裂纹宽度等关键参数,并分析过载、轴向应力及损伤程度,同时计算分析有机玻璃、聚四氟乙烯等材料作为缓冲层对装药动态损伤的影响。结果表明:1)基于内聚力裂纹模型的PBX装药自定义材料模型能很好地模拟装药的动态力学性能及损伤;2)使用缓冲层可以有效地保护战斗部内部装药;3)有机玻璃作缓冲材料用于改善装药力学环境的效果更加明显。     

动能弹侵彻多层陶瓷靶板数值模拟研究

结合试验对钨合金长杆弹垂直侵彻多层陶瓷靶板进行了三维数值模拟,得出了侵彻的物理图像及各种参量的变化规律。模拟结果中,后置钢靶剩余穿深和陶瓷破碎锥形状与试验基本一致。对于多层陶瓷靶板,每一层都会有漏斗形的破碎锥出现,且这些破碎锥的形状基本一致。随着陶瓷层数的增多,弹体的速度和动能下降速率逐渐变小。比较了相同厚度的多层和单层陶瓷靶板的抗弹性能,结果表明两者的陶瓷破坏形式不同,多层靶板的抗弹性能要优于相同厚度的单层陶瓷靶板,且仅在一定厚度范围内这种优势才较为明显。     

高速钝头弹侵彻中厚金属靶板的机理研究

根据侵彻过程中的不同受力状态,将高速钝头弹对中厚金属靶板的侵彻过程划分为简单压缩阶段、压缩剪切阶段和绝热剪切阶段,每个侵彻阶段都呈现出不同的吸能模式。基于三阶段侵彻机理,建立了钝头弹侵彻中厚金属靶板的弹道极限和剩余速度计算模型;利用侵彻模型计算了3.3g立方体和9.7g圆柱体侵彻4mm、6mm和10mm船用钢的剩余速度,计算值与试验值有较好的吻合。三阶段侵彻模型考虑了试验中出现的发热、发光等现象的吸能,并对金属靶板的抗弹能力和钝头弹的侵彻能力进行了预测,可以降低试验成本,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

平头弹正侵彻单层和多层钢靶的SPH模拟和解析分析

建立了平头弹正侵彻Weldox 460 E钢靶的SPH模型,通过实验数据对模型进行了验证。应用验证的SPH模型模拟了2~12 mm厚单层靶的侵彻过程,建立了弹道极限速度与靶板厚度关系的经验公式;开展了平头弹正侵彻多层靶的数值模拟,分析了靶板的层数、总厚度、厚度组合对其抗侵彻性能的影响。基于单层靶弹道极限速度的经验公式,得到了预测多层靶的弹道极限速度的解析模型。将解析模型的弹道极限速度计算结果与SPH的模拟结果进行了比较,结果表明两者比较接近,相对误差基本都在10%以内。     

小尺寸装药冲击过载理论分析与仿真

研究了弹载小尺寸装药侵彻混凝土靶板的冲击力学特性,将装药置于非惯性系中,其绝对加速度是牵连加速度与相对加速度的矢量和。利用应力波理论建立了小尺寸装药的相对过载方程,得到了装药的过载表达式,分析了装药相对过载与弹体相对过载的关系。对弹载装药侵彻混凝土靶板进行了仿真计算,得到了与理论分析一致的结果。为小型装药的侵彻过载特性评估提供了理论参考和分析方法。     

尖头弹侵彻延性金属靶板弹道极限的解析模型

现有的尖头弹侵彻金属靶板的弹道极限计算模型往往需要大量的试验数据和靶板材料的动态性能参数,且没有考虑侵彻速度对侵彻效果的影响,这给工程应用带来了很大的不便和误差。基于这一问题,考虑速度效应和靶板材料参数对侵彻的影响,结合流体动力学原理与动态空穴膨胀理论,分别提出了双模式和单模式侵彻模型。双模式侵彻模型的侵彻过程可分为两个阶段：流体动力变形阶段和塑性变形阶段,当侵彻速度小于靶材产生流体动力变形的临界速度时,侵彻进入塑性变形阶段,根据功能原理,建立了计算弹道极限的解析模型;单模式侵彻模型仅考虑塑性变形阶段。解析模型计算的弹道极限与弹道试验结果吻合的较好,且模型中不涉及弹道试验数据和靶板材料的动态性能参数,易于迅速求解,便于工程应用,可用于对延性金属靶板抗尖头弹侵彻能力的评估。     

长管体斜侵彻半无限均质靶简化模型

长管体斜侵彻半无限靶的研究具有重要意义。描述了长管体在速度范围在1000m/s~1500m/s时斜侵彻半无限均质靶板的物理图像,对长管体在侵彻各个阶段的受力和运动情况进行了分析,发现侵彻时管体中央的“靶芯”对侵彻过程影响很大。在一定假设条件下,基于变质量系统动量守恒定律建立了不同侵彻阶段长管体侵彻的质心运动方程,基于动量矩定理建立了不同侵彻阶段绕质心的摆动方程,并进行了数值计算。进行了长管体侵彻半无限均质靶板的试验,试验与计算结果表明二者的侵彻行程吻合较好,说明所建立的模型能够描述长管体对半无限均质靶板的侵彻过程,对空心弹和异形穿甲弹的研究和设计具有一定参考价值。     

陶瓷金属复合靶板工程模型及耗能分析

基于实验和数值模拟,将穿甲子弹侵彻陶瓷金属复合靶板的过程分为两个阶段,分别计算弹体侵彻陶瓷面板的动能损失、粘结层及金属背板的耗能,建立了计算弹道极限的工程分析模型,其结果与实验吻合较好。基于所建立的工程模型,分析了复合靶板各组分对其抗弹性能的影响。结果表明,陶瓷/金属复合靶板的耗能机制主要是背板耗能和弹丸质量损失耗能,分别约占初始动能的60%―95%和5%―40%。     

弹丸冲击贯穿有限厚混凝土材料靶板的背面成坑效应

弹丸冲击贯穿有限厚混凝土靶板后,靶板背面有大块的混凝土剥落,形成近似的锥形坑。为了研究背面弹坑半锥角θ这一作为混凝土靶板贯穿后破坏范围问题研究中的重要参量,将贯穿问题等效为轴对称条件下的冲切破坏问题。采用双剪应力三参数强度准则及刚塑性模型,得到了极限应力圆的包络线方程,给出了轴对称破坏机构,进而求得θ值的表达式。理论计算结果与数值模拟结果、实验数据三者之间吻合度较好。研究表明,θ值由混凝土材料抗压强度与抗拉强度比值决定。基于上述研究,提出在混凝土中掺加钢纤维以提高有限厚靶板抗贯穿能力的实际方法,并进行了弹道实验。实验结果表明,贯穿破坏后靶板碎片的数量及θ大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗贯穿方面的适用性。     

Experimental and numerical study on the flight and penetration properties of explosively-formed projectile

The whole process of formation, flying and penetration of explosively-formed projectile (EFP) is simulated by a 3D coupled hydrocode of Ls_dyna. The caliber of the shaped charge is 60 mm and EFP is a kind of overturned shaped charge. The Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) method is adopted to consider the fluid–solid coupling problem. The velocity attenuation equation is fitted to forecast the flight distance of EFP. The penetration property of EFP to the armor plate is studied by similarity theory and numerical simulation. For validating the equation, a test is designed to study the residual velocity after penetrating a 25 mm thick steel plate from a distance of 48 m. Therefore, some important solutions are obtained from the comparison of the simulation and experiment. The solutions are optimized charge structure of EFP, the ideal shape of projectile, the attenuation rule of flight process and the penetration property after 48 m flight. The numerical solution fits the experimental data well and the study results provide important reference to the design of EFP in engineering.     

Influence of conical projectile diameter on perpendicular impact of thin steel plate

A numerical study of conical projectiles for perpendicular impact on a thin steel plate is reported. The target material considered, Weldox 460 E steel, is frequently used for this kind of application and several results of experiments are available in the international literature to verify numerical simulations. The Johnson-Cook constitutive relation coupled with the Johnson-Cook failure criterion have been applied to analyse penetration of the target and also the failure process. The analysis has been focussed on the influence of the projectile diameter on the perforation process, assuming the same projectile mass. The aim was to preserve the same initial kinetic energy and identical nose angle. The goal is to estimate the ballistic limit, the residual velocity, the plastic work, and the temperature levels produced during the penetration process. The analysis has shown a linear increase of the ballistic limit with the projectile diameter.     

串联随进弹对预开孔跑道的斜侵彻研究

为研究反跑道串联子弹药后级随进战斗部在前级聚能开孔战斗部预先开出孔道情况下对机场跑道的随进侵彻性能,采用LS-DYNA动力学仿真分析软件分别对随进弹在不同随进速度,不同攻角及不同介质界面的条件下侵彻跑道的过程进行数值模拟,所得结果得到了理论分析和样弹实验的验证。研究结果对反跑道串联随进弹的设计具有参考价值。     

An investigation on mass loss of ogival projectiles penetrating concrete targets

Mass loss of an ogival projectile during its normal penetration in concrete target was investigated in this paper. Experiments of 38CrSi short-rod projectiles with ogival nose shape penetrating into concrete targets were conducted in the striking velocity range of 500–1500 m/s. Discussions revealed that projectile mass loss derives mainly from the nose part for both short-rod and long-rod projectiles during the penetration process. Furthermore, an engineering model was proposed to determine upper limit of rigid penetration regime as the maximum value of the striking velocity, which was based on the feature of projectile mass loss in the hydrodynamic transition between rigid penetration regime and semi-hydrodynamic penetration regime. Good agreements are obtained between engineering predictions and experimental results.     

聚能杆式弹丸侵彻混凝土实验研究

为了研制有效打击坚固目标的串联随进式攻坚武器,设计并制作了能形成聚能杆式弹丸的新型聚能装药,对混凝土和钢筋混凝土进行侵彻试验。试验结果表明:扁平型和尖顶型聚能装药都能对混凝土靶和钢筋混凝土墙产生一定的侵彻效果,并形成具有较大直径的侵彻孔。相比之下,尖顶型装药对目标的侵彻破坏能力更强,能贯穿80cm厚的钢筋混凝土墙,为后级战斗部的顺利侵入提供了通道。相同的聚能装药在同等试验条件下对圆柱形混凝土靶和钢筋混凝土墙的表面破坏效果差异较大,说明钢筋网和靶体边界效应在侵彻中起重要作用。     

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

为研究异型头弹丸半侵彻金属靶的侵深特性,基于量纲方法对影响侵深的主控因素进行了分析,采用弹道枪加载和LS-DYNA软件对异型头弹丸半侵彻金属靶的作用过程进行了试验和数值模拟研究,分析了异型头弹丸结构、弹丸初速、靶板厚度等因素对侵彻深度的影响规律,获得了侵深随弹丸初速以及靶板厚度的变化曲线。研究结果表明,弹丸初速和靶板厚度是影响侵彻深度的关键因素,并拟合得到了弹丸初速和靶板厚度综合影响下的半侵彻侵深经验公式。研究结果可为半侵彻作用的研究及新型侵彻的工程计算方法等提供参考。     

结构参数对截锥弹低速正侵彻装甲靶的影响

采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对截锥形动能弹低速正侵彻装甲靶作用行为进行了分析,获得了弹头锥角、前级半径和着靶速度对侵彻性能的影响特性,并对目前常用的侵彻理论模型进行了验证。数值模拟结果表明,弹头锥角和前级半径是影响截锥形动能弹侵彻性能的重要因素;着靶速度对侵彻深度和侵彻过载有显著影响,对弹体变形也有一定影响。实验结果与数值模拟结果吻合较好,而侵彻理论模型与实验结果有较大差别,侵彻模型并不适合分析存在一定变形的弹靶侵彻问题。