步枪弹高速侵彻弹道明胶数值分析

步枪弹侵彻软组织目标过程中的翻滚和破碎效应对终点杀伤效果具有显著影响。为了揭示步枪弹侵彻明胶的运动规律和断裂机制,采用非线性动力学分析软件ANSYS-LSDYNA对步枪弹侵彻明胶的作用过程进行了数值模拟。通过与试验回收弹头比较可知,数值方法可真实再现弹头在明胶中的变形断裂行为。研究结果表明,基于刚体假设的弹头运动模型无法准确模拟发生变形的断裂弹头在明胶中的运动规律,基于节点分离的拉格朗日算法可准确模拟弹头断裂过程中铅芯的破碎飞散。弹头的断裂过程是损伤自变形后由被甲受拉伸一侧外表面向内表面和受压一侧传播的过程,辊沟和膛线划痕对弹头的断裂过程具有重要影响,初始裂痕出现在辊沟处,与被甲母线成一角度,并沿辊沟和膛线划痕传播扩展。     

步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制研究

为研究步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制,采用有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA建立步枪弹侵彻复合靶标的数值模型。通过该模型模拟了侵彻过程中的钝性冲击现象和明胶瞬态响应,并进行了试验验证。研究结果表明：步枪弹侵彻陶瓷板过程中消耗了弹头大部分能量;明胶内瞬时空腔呈现椭球形基本形态,空腔最大凹陷深度和膨胀速度分别为25.6 mm和35.7 m/s;压力波在明胶内以球面波形式向外传播,在弹着点处峰值压力最大,且压力幅值随着传播距离的增大而不断减小;弹头速度先有一段明显的下降过程,而加速度绝对值则先增大,随后它们都逐渐衰减至0 m/s和0 m/s²;陶瓷板的破坏主要是由拉应力和压应力的反复作用造成的;数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值模拟模型的准确性。     

步枪弹侵彻明胶的表面受力模型

为研究步枪弹侵彻明胶的平移、翻滚规律,提出了弹头侵彻过程中的表面受力模型即迎风面上的每个微元受到动态压力和材料阻力的作用。通过对弹头表面压力的数值积分,可得到弹头所受的合力和合力矩。在此基础上利用4阶龙格-库塔法求解由刚体质心运动方程和欧拉运动方程组成的弹头运动方程,得到了弹头侵彻明胶时位移、姿态随时间的变化规律。以7.62 mm步枪弹侵彻明胶的实验对表面受力模型进行了间接验证,弹头质心位移和平面投影角度的实验数据和理论预测值误差较小,表明该模型可用于预测刚性步枪弹的表面受力,从而适用于预测弹头侵彻明胶的平移、翻滚规律。     

非常规布局弹头超音速气动特性数值研究

从薄层近似NS方程出发，采用高效ENO差分格式，对超音速飞行时弹头形成的流场进行了数值模拟，并与已有的计算和实验数据进行比较。弹头外形为带有倒角圆的平头－圆柱形非常规气动布局，研究了例角圆半径的影响，给出零攻角、马赫数M＝2．0－5．0范围内气动阻力的变化规律；对部分模型的热流分布也进行探讨。     

弹头外形对非零攻角亚音速旋转弹丸气动特性的影响

为寻求阻力特性受攻角影响较小的弹丸外形,提高射击精度,针对35 mm 口径亚音速旋转稳定弹丸,利用FLUENT 软件仿真研究半球形、抛物线形、截锥形三类弹头外形对非零攻角亚音速旋转弹丸气动特性的影响,并借助Matlab 软件模拟亚音速范围内弹丸阻力系数 Cx 随攻角 x 的变化规律,计算得到弹丸攻角系数 K 值在16～20;结果表明：半球形弹头外形对非零攻角亚音速旋转弹丸气动特性的影响较小,而抛物线形弹头外形对亚音速旋转弹丸阻力系数的影响较小;用于描述弹丸阻力系数 Cx 随攻角变化规律的函数 Cx ＝cx2＋dx ＋e 相对函数 Cx ＝ax2＋b 更为精确,相对误差前者小于1％,后者小于4．5％。     

动能战斗部侵彻混凝土力学响应研究

根据空腔膨胀理论分析了动能战斗部侵彻混凝土时壳体表面法向和切向膨胀作用力,建立了战斗部受力计算模型,基于刚体运动学理论建立了动能战斗部侵彻运动微分方程,通过编程计算了不同落角和攻角情况下动能战斗部侵彻混凝土过程中的力学响应,获得了落角和攻角对动能战斗部最大阻力和最大阻力矩的影响规律,为战斗部的强度设计和跳弹性能研究提供了基础。     

中等厚度金属靶板的三阶段贯穿模型

研究了刚性尖头弹侵彻贯穿中等厚度金属靶板问题。考虑靶板背表面开裂的影响,在有限厚度金属靶板两阶段侵彻模型的基础上,引入开裂侵彻深度概念,提出一个三阶段侵彻贯穿模型。基于不可压缩弹塑性材料有限球形空腔膨胀理论和等效拉伸应变断裂准则,得到弹头表面径向压力、开裂侵彻深度的解析解和弹头侵彻阻力的数值解,由Runge-Kutta法求解弹体运动微分方程,得到极限速度、剩余速度的数值解。与小截锥刚性锥头弹侵彻铝合金靶板弹道试验数据比较,本文模型计算结果与试验吻合很好。计算表明,弹头长度和靶板厚度对侵彻阻力的影响十分明显。     

基于瞬时空腔效应的明胶靶标与肌肉目标等效性研究

明胶靶标作为肌肉目标模拟物被广泛应用于瞬时空腔效应相关理论和实验研究,建立明胶靶标与肌肉目标瞬时空腔效应的等效关系,对明胶靶标的推广应用具有重要意义。分析了瞬时空腔形成的物理过程,找出了影响瞬时空腔尺寸的主要物理参数;利用相似理论推导出瞬时空腔效应的相似准则方程,并基于不同靶标实验数据求解出方程系数,从而建立了明胶靶标与肌肉目标的空腔效应等效模型;通过球形破片侵彻猪后腿的实验验证了该等效模型的准确性,模型预测的最大瞬时空腔直径与实验相对误差小于4.0%.     

偏转弹头导弹气动特性研究

利用计算流体力学(CFD)方法对偏转弹头控制导弹和鸭舵控制导弹在不同马赫数、攻角和控制面偏角等状态下的流场进行数值模拟,并对两者的阻力特性、升力特性和俯仰力矩特性等气动特性进行了比较分析。得出偏转弹头控制具有气动性能好、控制效率高、机动性强等特点,其控制效率随着马赫数的增加而增加,是导弹高速飞行过程中快速响应控制的理想方式。     

基于FLUENT软件和内弹道模型双向耦合的超高射频火炮发射过程模拟

弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。     

弹头角速度与侵彻倾角对铝合金薄板损伤分析

快凝耐热铝合金已广泛应用于水陆两栖装甲车与轻型装甲侦察车车身等结构,由于车身铝合金材质的薄弱部件易受子弹撞击,导致车身关键部位所受损伤与破坏问题较为严重,因此有必要对铝合金薄板被子弹击穿时的损伤特性开展研究。本文通过ABAQUS仿真平台建立铝合金薄板与子弹弹头的显式动力学模型,研究了7.62 mm与9 mm两种不同口径的子弹弹头侵彻倾角、弹头自身角速度等参数对高强度铝合金薄板的损伤特性。结果表明:在相同侵彻倾角与子弹初速与角速度的情况下,9 mm子弹弹头对铝合金薄板造成的损伤程度更大,使薄板受到更大冲击; 7.62 mm子弹弹头对铝合金薄板的侵彻力度更大,有更好的贯穿特性; 随着子弹角速度的增加,两种型号子弹弹头对铝合金薄板破坏程度先增大后减小,角速度为2 000 rad/s时达到临界值; 侵彻倾角影响矩形模板破坏程度,但该影响存在临界值,到达临界值前,子弹穿透能力较小; 到达临界值后,继续增大倾角不再增大穿透能力; 同时随着倾角的增大,9 mm子弹弹头对铝合金薄板生成的动能总体均先增大后减小,倾角为45°时对矩形模板产生的动能最大。     

串联随进弹侵彻预开孔靶弹道轨迹的数值模拟

利用移动载荷自定义程序的弹-靶分离方法,并结合Forrestal半经验靶体阻力函数,开展了串联随进弹侵彻预开孔靶弹道轨迹数值模拟。在实验验证计算模型及自定义程序可靠的基础上,研究弹-靶轴偏置、倾角、攻角等对串联随进弹侵彻弹道轨迹的影响规律。研究结果表明：弹-靶 轴偏置、倾角、攻角等因素对弹体的弹道轨迹及侵彻深度影响显著;预开孔孔道具有一定的引导侵彻作用;在弹-靶轴偏置、倾角及攻角的共同影响下,随进弹侵彻预开孔靶存在着跳飞可能。     

狙击弹侵彻土质墙体弹道数值模拟

为了分析土质墙体障碍物对狙击子弹弹道的影响,利用 LS-DYNA 软件,建立了在100 m、500 m、1000 m 三种射程,落角为15°、45°、85°、90°,总计12种情况下的弹道数值模拟模型,分析了射程和落角对其侵彻深度、水平偏移、侵彻速度、偏移速度的影响。研究结果表明,狙击弹侵彻土质墙体的终点弹道具有一定的随机性,其射击精度和毁伤效果具有很大的不确定性。该结果为狙击作战和指挥提供了一定的理论指导。     

基于球形杀伤元运动特性的明胶靶标标定方法研究

为研究使用明胶靶标对杀伤元进行杀伤威力评估的工程方法,分析明胶靶标的材料力学性能,在实验研究的基础上,结合瞬态动力分析软件对球形杀伤元在明胶介质中的运动规律进行了分析研究。研究结果表明：在使用明胶靶标进行威力实验前,应对靶标材料特性进行标定;球形杀伤元在明胶介质中高速运动时会产生空腔现象,最大空腔直径会随着侵彻深度的增加而增大,杀伤元的速度、阻力均以指数形式衰减;杀伤元以中高速（300～1 000 m/s）侵彻明胶靶标时,可将明胶靶标简化为流体模型。通过实例分析、计算,建立了速度与位移的数学关系,确定了明胶靶标的标定方法。研究结果可为杀伤元威力评估和明胶靶标标定提供参考。     

步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟

为研究步枪弹撞击带软硬复合防护明胶靶标的作用过程和作用机理,采用显式有限元方法对7.62 mm步枪弹侵彻复合靶标过程进行数值模拟,分析侵彻过程中的典型现象及明胶靶标动态响应。数值计算结果表明：陶瓷锥的形成是由压缩应力波和拉伸应力波共同作用的结果;弹头加速度变化存在明显的分段与拐点,侵彻陶瓷面板过程中,加速度达到最大,侵彻聚乙烯（PE）背板层时,出现第二个拐点;由于防护层存在多个界面,撞击过程中PE背板界面存在速度多峰现象：当弹头运动加速度达到最大时,PE背板界面出现第一个速度峰,明胶界面出现第一个压力峰;当弹头开始侵彻PE背板时,背板层出现第二个速度峰;在步枪弹撞击过程中明胶内压力波传递呈现球形波基本形态,压力峰值随距离增加呈指数衰减。     

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。     

狙击弹穿透玻璃后的偏转特性研究

针对狙击手隔着玻璃准确击中目标的问题,对狙击弹穿透玻璃的弹道进行数值模拟。以7.62 mm 狙击子 弹为研究对象,运用ANSYS/LS-DYNA 软件建立有限元模型,分析不同入射角下是否有攻角、转速对穿透玻璃后子 弹偏转的影响,得出不同组合下的影响规律。仿真结果表明：入射角越大,穿透玻璃后子弹偏转距离就越大;有攻 角时,狙击弹穿透玻璃飞行距离越远,偏转距离越大;转速对穿障后子弹偏转距离的影响较小。     

弹丸侵彻多层异质复合靶板中装甲钢变形细观和微观机理研究

为研究多层异质复合靶板中装甲钢排布位置,对其塑性变形微观机理及受力状态的影响规律,开展了不同结构方式复合靶板抗侵彻试验。基于金属材料学理论,对复合靶板中装甲钢弹孔塑性变形微观机理进行研究,分析了装甲钢弹坑表面硬度分布及组织演变规律,利用数值模拟研究弹丸侵彻装甲钢过程力学行为与变形机理的内在联系。研究结果表明：波阻抗匹配由高至低,弹丸冲击应力波在层间界面反射形成拉伸波,产生裂纹扩展,降低弹丸侵彻阻力;绝热剪切带内部受温度以及挤压载荷影响,产生高硬度细化马氏体晶粒,抑制塑性变形向内延伸;装甲钢背板强度及刚度越高,对装甲钢塑性变形产生位错运动的阻碍作用越强,有利于提高弹丸开坑阻力。