陶瓷材料的抗侵彻机理和陶瓷锥演化的数值模拟

陶瓷锥的演化在陶瓷靶抗侵彻机理中起着重要的作用.该文通过二维数值模拟研究了AD85陶瓷的损伤及陶瓷锥的形成和发展过程,建立了一种计及侵彻过程中陶瓷损伤演化的流体弹粘塑性本构模型,对陶瓷锥单元的形成提出了临界拉伸损伤和临界等效塑性应变的双重破坏准则.对陶瓷锥的形成条件和可能的力学行为也进行了分析.研究表明,靶厚对陶瓷锥的形成有重要影响.     

长杆弹侵彻过程中弹靶材料本构参数对侵彻计算的影响规律及其优化

利用材料动静态力学性能实验结果拟合出的Johnson-cook本构方程,在应用于侵彻问题研究时需要做进一步的校正和优化。基于现有侵彻实验结果和经验证较准确的材料本构方程,对弹靶材料均为4340钢时杆弹垂直侵彻半无限靶板进行系列数值仿真研究和初步的理论分析,得到各本构参数对侵彻计算结果特别是最大侵彻深度的影响规律。研究表明:除参数A外,其他4个参数与弹体的最大侵彻深度之间分别呈线性关系;材料的应变率硬化因子C、温度软化因子m和应变硬化指数n对弹体最大侵彻深度影响远小于参数A和B;相对于参数B与n,参数A的实验测量误差相对较小;在参数的校正和优化过程中,注意对参数A和B、n进行调节,特别是参数B的优化。给出各参数与弹体最大侵彻深度的内在联系表达式,并对实验中的4340钢进行校正和优化。计算表明,利用优化后的本构参数所得到的侵彻结果更加准确。     

低速陶瓷球侵彻明胶研究

为研究低速陶瓷球侵彻明胶运动规律,通过试验和数值模拟方法,测量了不同直径陶瓷球的冲击速度和侵彻明胶深度; 采用能量守恒模型,计算球形破片侵彻明胶深度; 结合试验结果与理论结果进行验证计算。研究发现:对于球形破片侵彻明胶,利用该文的理论分析模型计算出的侵彻深度与试验结果吻合较好; 基于理论模型的可靠性,发现低速陶瓷球侵彻明胶,其直径是影响侵彻深度的主要因素; 将陶瓷球、钨球、钢球的侵彻能力进行对比,综合考虑侵彻深度和最大空腔半径,结果表明陶瓷球更适合作为毁伤元。     

药型罩材料本构模型对EFP数值模拟的影响

药型罩材料本构模型对EFP数值模拟结果影响较大,为完成某球缺罩EFP的设计,分别选择J-C本构和Steinberg本构为紫铜药型罩材料模型,基于Autodyn开展110 mm口径球缺药型罩EFP成型与侵彻对比计算.结果表明,使用J-C本构与Steinberg本构,EFP在成型过程中总体变形一致,但后者对应的弹丸尾部有较大部分与主体断裂,材料出现超过3.0E +7的应变,不符合物理事实;侵彻钢靶模拟,2种方法最大侵彻深度相差较小.综合而言,建议球缺药型罩EFP成型及侵彻模拟计算中应优先选取J-C本构模型.     

动能弹侵彻混凝土靶性能仿真与研究

应用空腔膨胀理论建立了动能弹侵彻混凝土靶的动力学模型,对动能弹侵彻混凝土靶进行了理论计算。同时,应用HJC损伤本构模型对侵彻混凝土靶进行了有限元数值模拟,对数值模拟与理论计算得到的弹体出靶后的剩余速度及穿靶中的冲击过载进行分析,结果表明理论计算与数值模拟结果数据吻合较好。     

间隙对陶瓷复合装甲抗侵彻性能影响研究

为研究间隙对陶瓷复合装甲抗侵彻性能的影响,利用显式有限元分析程序AUTODYN-3D,采用基于SPH方法进行数值研究计算。分析侵彻陶瓷复合装甲过程中材料的失效情况,呈现弹体钝化、陶瓷材料飞溅、背板隆起等物理现象;分别研究垂直侵彻和斜侵彻时陶瓷层和背板之间存在间隙对侵彻的影响。结果表明:对于垂直侵彻,存在一个提高抗侵彻能力的最优间隙值;对于斜侵彻,垂直和水平方向分别存在一个最优抗侵彻间隙值。     

基于反向传播神经网络的陶瓷损伤参数反演分析

陶瓷材料冲击加载条件下的损伤累积过程伴随着裂纹扩展、体积膨胀等因素,为准确获取陶瓷损伤参数,以钨合金球弹丸高速撞击陶瓷复合装甲的侵彻深度实验为基础,获得了陶瓷面板破碎情况。根据现有文献\[14\]数据中陶瓷材料JH-II本构模型的损伤参数范围,确定了反向传播(BP)神经网络的样本点;采用有限元分析软件AUTODYN对所有样本点的侵彻过程进行数值模拟,结合仿真和实验数据完成了BP神经网络模型的建立和TiB₂-B₄C复合材料损伤参数的反演。仿真结果和实验侵彻深度、回收陶瓷面板的损伤比对,充分验证了所建立的BP神经网络模型对陶瓷损伤参数反演的有效性。     

应变率相关的混凝土连续损伤本构模型

针对混凝土在爆炸和高速撞击、侵彻等典型动态加载下的响应问题,在开发动态本构模型方面做了相应研究,自行开发了适合描述混凝土大变形、高应变率、高压加载响应的计算本构模型--混凝土率相关连续损伤模型(RDCDMC),并将其引入三维动力有限元程序LS-DYNA.模型在考虑混凝土的损伤(包括拉、压损伤)、应变率效应及破坏模式的完备性方面有所进步.模型的可行性和有效性在相关的数值模拟工作中得到了检验.     

手枪弹对带软防护的明胶靶标侵彻机理与实验研究

为揭示杀伤元与有防护目标的相互作用机理,基于弹头侵彻防护特点,分析手枪弹侵彻时软防护破坏形式。结合高应变率下超高分子量聚乙烯纤维本构模型,并引入明胶弹性模型,建立手枪弹侵彻带软防护的明胶靶标运动模型。选取9 mm全铜弹（均一硬质结构）和92式5.8 mm手枪弹（钢芯铅柱被甲结构）为杀伤元,对运动模型进行数值计算和实验验证。结果表明,该运动模型能够准确描述手枪弹侵彻带防护的明胶靶标运动过程,可为有防护目标杀伤机理和防护性能研究提供理论参考。     

钢筋混凝土靶的侵彻与贯穿研究进展

钢筋混凝土靶的侵彻与贯穿研究可为钻地武器有效发挥毁伤作用以及钢筋混凝土结构有效承担防护功能提供必要支撑。从实验研究、经验和半经验公式、理论建模以及数值模拟等方面系统地综述该领域的国内外研究进展;总结素混凝土与钢筋混凝土靶对比侵彻实验和钢筋混凝土靶非正侵彻实验中典型的实验现象,整理用于计算钢筋混凝土靶侵彻深度、贯穿剩余速度等参量的经验和半经验公式,归纳空腔膨胀、等效分层、考虑钢筋直接碰撞作用等主要的钢筋混凝土靶侵彻与贯穿理论研究成果,梳理不同数值算法、建模方式、材料模型等条件下有代表性的钢筋混凝土靶侵彻与贯穿数值模拟工作,评述研究现状,并重点对实验和理论模型等部分进行讨论与分析,对研究发展方向进行力所能及的展望。     

两种混凝土抗常规弹丸侵彻特性分析

为研究钢纤维混凝土与普通混凝土抗弹丸侵彻性能的异同之处,利用别列赞公式对Φ37mm弹丸侵彻两种混凝土靶弹道试验数据进行了拟合、分析。并基于LS-DYNA3D有限元程序,引人Holmquist-Johnson-Cook累积损伤材料模型以描述混凝土材料的非线性变形及断裂特性,对弹丸侵彻两种混凝土靶进行了三维数值模拟计算,得到了侵彻过程中的主要物理图像和数据,进而对计算结果进行了分析讨论。研究表明,与混凝土相比,钢纤维混凝土抗侵彻能力的提高是由材料抗压强度及抗冲击韧性提高共同作用的结果。     

陶瓷/玻纤复合防护结构层间位置对抗破片侵彻性能的影响规律研究

为研究陶瓷/玻纤复合防护结构的层间位置对抗破片侵彻性能的影响规律,文中采用145 mm弹道枪加载方法进行了30 g破片对18 mm厚陶瓷(含有3 mm厚玻纤包裹层)/20 mm厚玻纤复合板的侵彻试验,并获得了破片的最小贯穿速度.同时,通过数值仿真进一步研究了复合板层间位置对抗破片侵彻性能的影响.结果表明,当靶板总厚度为38 mm左右,30 g破片以1 300 m/s的初始速度侵彻陶瓷/玻纤复合结构时,陶瓷板与玻纤板的厚度比在0.9.~1.7之间时其抗破片侵彻能力较好.     

陶瓷与芳纶层合板叠层结构抗侵彻性能试验研究

为了研究陶瓷与芳纶层合板叠层结构在中高速弹丸侵彻作用下,陶瓷面板对芳纶层合板抗侵彻性能的影响,开展了13.5 g破片模拟弹丸以中高速冲击8 mm厚芳纶板、16 mm厚芳纶板、3 mm厚SiC陶瓷+8 mm厚芳纶板、3 mm厚Al₂O₃陶瓷+8 mm厚芳纶板4种靶板的抗侵彻性能试验。分析了有无前置陶瓷板,芳纶板受到冲击作用后,弹丸及芳纶板变形模式的差异、靶板单位面密度吸能的区别。研究结果表明：前置陶瓷板情况下,弹丸变形较大并伴随着质量磨蚀;前置陶瓷板降低了芳纶板的剪切破坏程度,增加了拉伸变形和层间分层范围;前置陶瓷结构相对于纯芳纶结构在弹速较高时抗侵彻能力较强。     

陶瓷/钛合金靶抗圆柱体弹侵彻的仿真研究

为研究7.5 g圆柱体弹侵彻下,不同厚度配比的陶瓷/钛合金靶板的弹道极限速度及靶板的破坏模式,利用有限元软件ANLYSYS/LS-DYNA,对高速圆柱体弹侵彻陶瓷/钛合金结构进行数值模拟仿真,得到了弹道极限速度随陶瓷厚度和钛合金厚度变化的拟合公式,探讨了陶瓷和钛合金厚度比对结构抗弹性能的影响规律。结果表明:陶瓷/钛合金结构的破坏变形程度基本随着结构弹道极限速度的增大而增大,与增加陶瓷厚度相比,增加钛合金厚度对弹体侵蚀程度及靶板变形程度产生的影响更大; 结构的单位面密度吸能基本随陶瓷/钛合金厚度比的增大呈先增大后减小的趋势,当陶瓷/钛合金厚度比在1～2之间时,结构抗弹性能较好。     

弹丸侵彻双层不同材质靶板的数值模拟

为加强装甲目标的防护能力及提高靶板的抗侵彻性能,对弹丸侵彻双层不同材质靶板进行数值模拟。建 立弹丸侵彻靶板的几何和仿真模型,采用ANSYS/LS-DYNA 软件,比较了3 种不同材料靶板的抗侵彻能力,对不 同材质的双层有、无间隔靶板组合的抗侵彻性能进行数值模拟,并对比了靶板排列顺序不同对靶板组合抗侵彻性能 的影响。模拟结果表明：双层不同材质的靶板组合的抗侵彻能力与两层靶板的材质和排列方式有关,双层间隔靶板 组合比双层无间隔靶板组合的抗侵彻性能更好。     

添加TiB2对石墨烯改性B4C陶瓷基复合材料抗弹性能的影响

为支撑新型轻质防弹装甲材料的研发和优化,以添加和未添加增韧相TiB₂的两种石墨烯改性碳化硼（B₄C）陶瓷复合材料为研究对象,研究其在12.7 mm口径穿甲弹侵彻下的失效机理。利用维氏硬度计、三点弯曲法和单边切口梁法获得两种陶瓷基复合材料的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性3个准静态力学性能参数,通过残余穿深试验研究两种复合材料在12.7 mm口径穿甲弹正侵彻下的抗侵彻能力,并采用防护系数进行定量表征。结合铝合金背板和陶瓷碎块的宏观损伤形貌,利用扫描电镜进行微观断口分析,研究陶瓷在弹头侵彻下的失效机理、增韧相TiB₂以及石墨烯的强化机制。结果表明：TiB₂的加入可以提高石墨烯改性B₄C陶瓷的各项性能,相较不含TiB₂的石墨烯改性B₄C陶瓷,含质量分数14%TiB₂改性B₄C陶瓷的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别提高了19.66%、24.06%和19.70%,在12.7 mm口径穿甲弹弹头750 m/s速度侵彻下的防护性能提高15.11%;对于石墨烯改性B₄C陶瓷,TiB₂的加入与石墨烯的促进作用使B₄C陶瓷变为多种破坏吸能模式,表现出更优异的抗破碎性,是其抗侵彻性能等提高的主要原因。     

一种改进的混凝土抗侵彻模型及算法

以钻地弹侵彻混凝土工事为研究背景,在土盘模型的基础上,通过引入冲击波衰减、混凝土靶的应变率硬化效应及修正浮动锁应变的计算,提出一个改进的混凝土抗侵彻工程分析方法,并完善该侵彻算法。利用此算法计算出的结果与试验结果能够更好的吻合,说明该分析方法和算法的有效性和实用性。对不同质量、入射速度的弹体侵彻混凝土的侵彻过程参数以及侵彻结果进行理论分析和数值计算,分析入射速度、弹体质量、应变率影响因子和摩擦角等因素对弹体最大侵彻深度的影响。     

B_4C陶瓷/金属复合靶板抗侵彻性能数值模拟分析

利用LS-DYNA对平头弹垂直侵彻陶瓷复合靶的过程进行数值分析,研究了B4C陶瓷/金属复合靶板防护能力跟靶板结构设计之间的关系。计算结果表明:B4C陶瓷作面板复合靶有较优的抗弹性能;铝合金作背板与钢板作背板的陶瓷复合靶相比具有良好的抗弹性能。并得到了B4C陶瓷/铝合金板复合靶的防护能力与陶瓷板、铝合金板厚度的变化规律。     

表面驻留对陶瓷复合结构抗侵彻特性影响

子弹在陶瓷表面的驻留现象对于装甲防护结构设计具有重要意义。开展陶瓷复合结构抗侵彻特性试验和数值模拟研究,分析侵彻作用过程中弹靶失效破坏、子弹驻留时间及耗能特征,探讨子弹速度、头部形状及背板厚度对驻留效应及复合靶抗侵彻特性的影响规律。研究结果表明：尖头弹中低速侵彻陶瓷复合结构时,子弹头部将在陶瓷表面完全侵蚀,同时耗散大量能量;随着子弹速度的增加,驻留时间减短,子弹动能耗散百分比越低,子弹速度为600 m/s时驻留期间动能耗散百分比可达90%;随着尖头弹锥角增加,驻留时间及驻留期间动能耗散百分比呈先增加后减小趋势,在半锥角取45°时驻留期间能量耗散百分比最大可达80%;随着背板厚度的降低,子弹驻留时间及驻留期间动能耗散降低幅度并不明显。