Fragility analysis for ballistic design

Effective structural design to resist ballistic effects such as small arms or fragmenting weapons has been a goal since weapons were developed. Approaches currently in use for ballistic design are predominantly deterministic and allow designers to decide what wall thickness should be used to stop a prescribed projectile impacting at a predefined velocity. The research presented in this paper provides a framework for conducting reliability analysis of structures subjected to bullet and fragment demands. Thus, pseudo-fragility curves are developed for the limit states related to spall and perforation of wall panels, residual velocities of bullets and fragments, and injury to personnel. The pseudo-fragility analysis provides engineers and owners with a tool to quickly assess the reliability of a wall system subjected to high velocity, low mass projectiles. In particular, the proposed analysis method allows designers and owners to determine the probability of spall and perforation, residual velocity, and injury as a function of wall thickness or threat standoff distance.

Abbreviations: Cumulative distribution function (CDF): Gives the probability that a stochastic variable ‘X’, with a proper probability density function, is equal to or less than a value (x). Coefficient of variation (COV): The quotient of the standard deviation and the mean     

内弹道因素对中心爆管子母弹抛撒的影响

利用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D建立了子母弹中心爆管抛撒内弹道模型,并对该中心爆管子母弹抛撒内弹道过程进行了数值模拟,得到了在不同内弹道条件下子弹抛撒情况.定性分析了壳体应力槽对壳体的影响,相对于没有应力槽的壳体,带有应力槽的壳体可以降低子弹所受压力,有助于子弹均匀有效抛撒.探讨了衬管材料对子弹抛撒的影响,半硬质聚氨酯泡沫塑料、尼龙塑料可以缓冲内弹道压力,增加压力作用时间,从而降低子弹过载,提高子弹抛撒速度.仿真结果为中心爆管子母弹抛撒理论和实验研究提供了依据.     

高低压室发射弹丸内弹道仿真与试验研究

为了研究高低压室发射弹丸过程中内弹道的参数设计问题,采用经典内弹道理论,结合高低压室发射特点,建立了高低压室发射弹丸内弹道仿真计算模型,设计了一种高低压室发射系统试验装置,对不同喷口大小情况下的高低压室发射弹丸内弹道进行了试验研究,将仿真计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了仿真计算模型的合理性。应用该仿真模型分析了高低压室内弹道工程设计中的发射药弧厚、破孔压力、弹丸启动拉力等因素对内弹道性能的影响。研究表明:高压室喷口大小对高压室压力和弹丸初速影响较大,减小喷口半径在一定程度上可以降低火药的能量损失; 发射药弧厚对高低压室内弹道性能影响较大,随着弧厚的增加,高低压室压力降低,弹丸出炮口速度降低; 破孔压力对高低压室内弹道性能影响较小,但应满足高压室内发射药的点火压力要求; 弹丸启动拉力主要影响低压室内压力和弹丸初速,与高压室的压力基本无关。研究结果可为高低压室内弹道结构设计和装药设计提供参考。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。     

燃烧轻气炮发射过程数值模拟与优化

针对常规火炮理论初速极限较低的问题,基于氢氧燃烧特性建立燃烧轻气炮的内弹道内模型。根据燃烧轻气炮原理得到影响燃烧轻气炮內弹道性能的参数,采用粒子群优化算法对发射装置结构和内弹道参数进行优化,使用Fluent耦合Chemkin的方法进一步验证了内弹道数值仿真优化结果。结果表明：优化后装置的初速略微下降,燃烧室的初始压力和最大膛压大幅度下降,研究结果在燃烧轻气炮初期研究阶段具有较高的参考价值。     

外弹道相似理论应用研究

为研究外弹道相似理论的应用,分析了外弹道相似性条件的分类特点,针对小弹模拟大弹的具体条件,建立了第4类相似性在非完全相似条件下的外弹道修正方法,分析了弹丸质量和膛线缠度作为非完全相似参数对相似性的影响.试验数据表明,小口径模拟弹修正后与中、大口径基本弹的外弹道相似性良好,研究结果对外弹道相似理论在实际中的应用有借鉴作用.     

带导向管的子母弹活塞式抛撒弹道建模及数值仿真

在子母弹活塞式抛撒背景下，提出了带导向管的抛撒机构，分析单燃烧室和双燃烧室结构工作原理，对子母弹系统抛撒散布过程的计算方法进行探讨,建立抛撒过程内弹道方程组及子弹散布模型，并在此基础上进行了数值仿真。系统总结了子母弹活塞式抛撒特点及性质；将带有导向管的活塞式抛撒技术和母弹旋转融合在一起，增强了子弹空中散布效能；子弹弹道模型及仿真给出了子弹空中运动规律及散布规律。为抛撒过程的研究、抛撒机构的工程化设计和结构优化、空中抛撒散布效果分析提供理论参考。     

鱼雷深度弹道的自适应反演鲁棒控制

为研究鱼雷深度弹道的非线性控制方法,在深度非线性模型中,以鱼雷姿态角速度作为升降速度的虚拟控制量,得到新的输入输出动态和稳定的零动态.改写输入输出动态为严反馈形式,针对模型中各级未知参数向量,分别设计自适应调节律.引入非线性阻尼项消除不确定性,使跟踪误差收敛到零的小邻域内.仿真表明,各级预设参数自适应调整,鱼雷的深度弹道控制性能良好.给出的自适应反演鲁棒控制律能够处理模型不确定性和各级未知参数,深度非线性分层控制策略体现了鱼雷的非线性特征.     

喷嘴型面对膏体火箭内弹道的影响

为研究燃面变化对膏体火箭发动机内弹道调节精度的影响,根据膏体火箭发动机的工作原理,分别推导了直圆管喷嘴和锥形扩张喷嘴型面下的膏体推进剂燃面方程,建立了膏体火箭发动机零维内弹道模型,分析了喷嘴型面对发动机内弹道性能的影响,并进行了直圆管喷嘴发动机试验.结果表明,直圆管喷嘴下计算的点火时间比试验结果短,但平衡时间及平衡压强与试验结果基本吻合,喷嘴型面变化对发动机平衡时间影响很大.     

弹头痕迹图像分形动力学研究

弹头痕迹的分析与比对是破获涉枪案件的关键，目前国内外在这方面主要采用对弹头痕迹的几何形态、位置及线条进行比对的方法。在分析弹头膛线痕迹区域形成特点的基础上，结合分形能够描述复杂自然物体表面的特点，提出了使用分形理论分析弹头痕迹的新方法，将弹头痕迹的图像映射到一维目标信号，通过对目标信号进行频率域分形维数分析，发现弹头痕迹频率域具有多度域分形特征，且其分形结构与枪膛对应部位的磨损状况有对应关系，得到一些有意义的结论。研究结论表明，所提出的方法为枪弹痕迹的司法分析与鉴定提供了新的思路，扩展了司法弹道学的砑究方法。