刻槽弹体旋转侵彻混凝土效应试验研究

为研究刻槽弹体旋转侵彻混凝土靶的侵彻性能,利用14.5 mm滑膛枪发射平台,进行了非旋转的卵形弹体与刻槽弹体侵彻砂浆混凝土靶试验研究,同时利用14.5 mm线膛枪发射平台,进行了旋转的卵形弹体和刻槽弹体侵彻砂浆混凝土靶和石灰石混凝土靶试验研究。两种发射平台对比试验结果表明：采用卵形弹体头部刻槽和旋转侵彻的方法,使对混凝土目标的破坏从单一的挤压破坏变为挤压与环向剪切联合作用的破坏模式,达到了减少轴向阻力和提高侵彻威力的作用;相比于砂浆混凝土靶,石灰石混凝土靶具有较强的抗侵彻能力。     

弹头形状对侵彻多层靶弹道的影响

为了提高侵彻弹斜侵彻多层混凝土靶过程弹道稳定性,提出了头部刻槽形弹体结构和尖卵形弹体结构设计。基于LS?DYNA软件开展数值模拟计算,并进行了两种弹体侵彻10层混凝土靶试验。研究表明:在侵彻单层混凝土薄靶的过程中,随初始攻角增大弹体姿态偏转角度增大,刻槽形弹体相对尖卵形弹体姿态偏转相对较小。对比侵彻10层混凝土靶试验结果,刻槽形弹体相对尖卵形弹体可显著减少弹体偏转姿态,具有较好的侵彻弹道稳定性。     

掘进侵彻弹形与侵彻混凝土深度演绎过程研究

为研究掘进侵彻弹形与深度的演绎过程,运用LS-DYNA动力学软件对不同弹形头部、不同着速下掘进侵彻混凝土过程进行了仿真研究,仿真结果表明:低着速时,带切削刃的钻形掘进侵彻方式可提高侵彻深度; 高着速时,卵形弹更具优势; 旋转速度为70 kr/min时,加载速度为350～500 m/s时,带切削槽的卵形弹能使侵彻深度最大; 在较优加载条件时,切削槽的深度对侵彻深度影响最大,斜度影响次之,切削槽的迎靶面形状对侵彻深度影响最小。试验结果与仿真结果吻合较好。     

带直槽弹体对混凝土靶体的侵彻机理分析

文中就一种新型结构弹体即带排屑槽的弹体,基于球形膨胀及动能守恒理论,建立了带槽弹体垂直侵彻混凝土靶的动力学方程,并研究了带槽弹体和混凝土相互作用规律,对比了带槽弹体与普通弹体对混凝土靶的相互作用,通过理论分析计算,得出在600~1 000 m/s的速度范围内,带槽弹体侵彻效果优于无槽弹体,且与弹体预制刻槽数成正比。文中研究结果可为新型侵彻战斗部的设计提供参考依据。     

碳纤维复合材料力学性能及其复合弹体侵彻试验研究

设计了一种碳纤维复合材料弹体,基于Forrestal阻力公式对复合弹体在侵彻混凝土靶过程中壳体所承受的最大轴向应力进行了预估。制备了碳纤维复合材料层合板、空心圆筒和复合弹体试样,对碳纤维复合材料层合板和圆筒试样进行了不同应变率下的压缩试验,对复合弹体以298m/s和432m/s的速度,分别对表面强度为48MPa、厚度为200mm和350mm的素混凝土靶进行了正侵彻试验。结果表明:选用的碳纤维复合材料抗压强度随着应变率的增大而增大;所设计的复合弹体对混凝土靶具有一定的侵彻能力;制备的复合弹体壳体能够满足着速在400m/s范围内对混凝土靶侵彻的强度需求。     

头部非对称刻槽弹体侵彻混凝土目标性能研究

为进一步提高弹体对混凝土类脆性靶体的破坏能力,提出一种可对混凝土施加轴线压缩与切向剪切联合破坏作用的头部非对称刻槽弹体,并在极坐标下表征非圆截面头部弹体结构。利用准静态柱形空腔膨胀模型,建立轴向压缩-切向剪切联合作用下的准静态柱形空腔膨胀理论模型,推导得到考虑剪切效应的靶体响应力函数。在此基础上,发展了头部非对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土目标局部相互作用模型。基于前述分析,开展了头部非对称刻槽弹体侵彻半无限混凝土目标系列试验研究。研究结果表明：考虑剪切效应的二维空腔膨胀理论及局部相互作用模型的理论计算结果与试验结果吻合较好;与普通尖卵形弹体相比较,头部非对称刻槽弹体具有较好的侵彻能力,能有效提高侵彻深度。     

弹体斜侵彻多层间隔钢靶的弹道特性

为分析弹体斜侵彻多层间隔靶的弹道特性,开展典型卵形弹体不同入射角侵彻多层间隔钢靶试验和数值模拟研究。利用有限元软件LS-DYNA建立弹体斜侵彻多层间隔钢靶数值仿真模型,分析弹体斜侵彻多层间隔钢靶作用过程,得出弹体入射角、弹体速度、靶体厚度及弹体变形对多层钢靶侵彻弹道特性的影响规律并进行了试验验证。结果表明：弹体入射角越大,侵彻弹道偏转越大;初始速度越大,弹体斜侵彻多层间隔钢靶偏转角度越小,且速度对偏转角的影响幅度随速度增大呈减小趋势;随着靶体厚度增加,弹体斜侵彻多层间隔钢靶弹道由整体向下偏转转变为整体向上偏转;靶体厚度对偏转角的影响幅度随靶体厚度增大呈增大趋势;刚性弹体斜侵彻多层间隔钢靶弹道偏转角度比变形弹小。     

非圆截面弹体侵彻混凝土靶试验与仿真研究

为研究非圆截面弹体对混凝土靶的侵彻问题,利用30 mm滑膛炮发射平台,开展圆截面、椭圆截面和矩形截面弹体在(400～1 000)m/s速度范围内垂直侵彻混凝土试验研究,得到有效的侵彻深度数据,分析弹体动态响应及靶体的破坏特征,验证非圆截面弹体在一定条件下的相对侵彻优势。基于LS-DYNA动力学软件,建立3种不同截面类型弹体侵彻混凝土有限元模型,研究弹体侵彻过载、开坑大小和弹体抗弯强度等问题。结果表明:相对于圆截面弹体,两种非圆截面弹体的侵彻深度均有提升;由于弹体截面形状的改变,造成混凝土受力状态和破坏机理的变化是非圆截面弹体侵深提高的原因。     

带攻角弹体斜侵彻混凝土深度计算公式对比分析

为了分析经典侵彻深度经验公式对带攻角弹体斜侵彻混凝土靶的适用性,介绍了目前应用较广且精度较高的混凝土侵彻深度计算经验公式,并以152 mm一级轻气炮为试验平台,通过弹体攻角、倾角联合侵彻C30素混凝土靶的试验加载测试系统进行试验研究,测得了弹体着靶速度、开坑尺寸和侵彻深度。并应用各经验公式对带攻角弹体斜侵彻混凝土目标的侵彻深度进行了计算和对比,分析了不同经验公式计算值与实测值之间的差异。试验研究表明,对于带攻角弹体斜侵彻混凝土的侵深经验公式中,ACE公式和Forrestal公式计算侵彻深度与实测侵深最为接近,相对误差均未超过10%,满足工程计算需求。     

弹头形状对高速侵彻效应的影响

对60 mm口径的尖卵型和双弧线型弹体进行高速侵彻素混凝土靶试验,弹体撞击速度为800～1 400 m/s。试验结果表明,在所研究的速度范围内,弹体侵彻深度随着靶速度呈线性增加的趋势,弹体质量侵蚀小于5%,可近似认为刚性弹侵彻。在空腔膨胀理论基础上,通过建立尖卵型和双弧线型弹头部形状函数,分析了2种不同弹头形状弹体的受力情况,建立了阻力模型,数值求解了弹体的侵彻深度。理论计算结果与试验结果吻合较好,分析结果表明,弹体质量、着靶速度、靶体一致的条件下,双弧线型弹体的侵彻能力比尖卵型高约9%。     

不同头部形状弹丸高速侵彻混凝土的研究

为了研究着靶速度在1000～2000 m/s时弹丸的运动规律,分别对不同头部形状弹丸高速侵彻混凝土进行研究。介绍弹丸高速侵彻混凝土的研究现状,采用数值模拟方法对其进行研究,阐述高速弹丸侵彻混凝土的数值仿真,分析不同头部形状对弹丸高速侵彻混凝土的影响,并获得弹丸头部形状、着靶速度和侵彻深度的关系。仿真结果表明：当速度范围在1400～1700 m/s时,锥形头部弹丸的侵彻效应要优于其他三者;当速度范围在1800 m/s以上时,卵锥形弹丸由于发生大的磨蚀与变形此时已经失效,并且在此速度范围下,其他3种弹丸的侵彻效应逐渐趋于一致。该研究结果对今后动能弹及半穿甲弹丸的弹形设计具有一定借鉴意义。     

MCA法模拟研究骨料对混凝土靶抗弹性能的影响

采用自行研制的移动元胞自动机法数值软件,对弹以700 m／s的速度垂直侵彻骨料含量(质量分数)为20％,40％,60％三种配比混凝土靶的过程进行二维数值模拟计算。数值模拟结果表明,侵彻过程是一个局部破坏过程,侵彻点附近骨料的含量及分布对混凝土靶抗弹性能影响较大,并得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线,从而说明了本计算方法是计算和模拟高速侵彻问题的有效工具。     

长杆弹超高速侵彻砂浆靶临界速度的实验和计算

为了研究高强度合金钢长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,开展了30CrMnSiNi2A长杆弹以初速度1 381~1 879 m/s侵彻半无限砂浆混凝土靶的实验。实验结果表明：靶板的开坑直径、开坑深度、开坑体积以及弹道孔径与侵彻速度呈近似线性关系;当侵彻速度小于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而增大;当侵彻速度大于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而减小;当速度为1 724 m/s时,侵彻深度达到最大。靶板的剖分结果显示:当长杆弹超高速侵彻靶板时,弹体着靶时微小的倾角会导致侵彻弹道发生严重的偏转,呈现为“J”字形弹道。基于实验结果,在考虑长杆弹头部变形的基础上利用修正的A-T模型,得到了长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,分析了不同的弹靶参数对临界速度的影响,并结合实验数据,验证了理论模型的可靠性。     

考虑靶背自由面效应的中等厚度混凝土介质侵彻工程模型

为评估弹丸侵彻和贯穿中等厚度混凝土介质的能力,在半无限混凝土介质靶体侵彻模型的基础上,考虑混凝土靶背自由面效应,通过构造基于混凝土靶背自由面位置相关的阻力衰减函数,修正弹丸侵彻半无限混凝土靶体的侵彻阻力,建立可以快速预测弹丸侵彻混凝土介质的侵彻深度、贯穿速度和侵彻过载等物理量的工程计算模型。模型中加入混凝土冲塞判据,修正了弹丸临界贯穿情况下的弹丸侵彻阻力,可以预测混凝土靶背发生剪切冲塞现象。用模型对低速(650 m/s)和高速(1 100 m/s)两种侵彻速度弹丸侵彻不同厚度C40混凝土靶板试验工况进行计算,计算结果显示弹丸剩余速度计算值与试验结果绝对值误差小于22.1%,弹丸过载与仿真过载峰值误差小于4.4%; 模型对不同侵彻速度下的有限厚度混凝土靶的临界贯穿厚度进行预测,与NDRC经验公式计算结果对比发现本文模型具有更好的计算精度和速度适应范围。     

长杆弹截面形状对垂直侵彻深度的影响

结合现有实验数据,针对圆形、矩形和三角形3种截面形状的5种93W长杆弹对半无限4340钢靶在入射速度为1500～1800m/s时的侵彻进行数值研究。结果表明:数值计算结果与实验吻合较好;对于同种入射速度、相同弹体长度、同种弹体和靶板材料而言,等截面面积的三角形截面的长杆弹侵彻深度明显高于矩形和圆形截面的侵彻深度,而圆形与矩形之间并没有明显区别;三角形截面长杆弹侵彻过程中的自锐化现象是其侵彻深度明显大于其它两种弹体的主要原因。     

卵形弹体超高速侵彻砂浆靶的响应特性

为研究砂浆靶目标在动能弹超高速撞击下的破坏响应,利用2级轻气炮开展卵形头部钢杆弹以1 200Symbol~A@2 400 m/s速度侵彻砂浆靶的实验。根据侵彻实验结果,分析得到：靶体开坑直径和开坑深度与撞击速度呈线性关系;随着撞击速度的增加,侵彻深度呈现先线性增加、后逆减、再缓慢增加的趋势,分别对应刚性侵彻、半破碎侵彻和破碎侵彻3种截然不同的侵彻机制。基于前述分析,以内摩擦理论为基础,结合弹体质量损失函数,推导得到刚性侵彻和半破碎侵彻深度计算公式,并与实验结果进行对比。结果表明：考虑弹体质量损失的侵彻深度计算模型理论计算结果与实验结果吻合较好,解释了超高速侵彻过程中侵彻深度逆减的特殊现象,揭示了砂浆靶中侵彻深度变化规律的内在机理。     

带装甲钢背板的钢纤维混凝土靶抗侵彻试验及数值模拟研究

为了研究钢纤维混凝土抗侵彻性能,对带装甲钢背板的高强度钢纤维混凝土靶进行12.7 mm 穿甲弹、长杆弹高速撞击侵彻试验。根据背靶侵彻深度试验结果,采用防护系数评估复合靶的抗侵彻性能。采用细观离散元模型Lattice Discrete Particle Model、弹塑性模型和Johnson-Cook屈服准则分别描述钢纤维混凝土、弹体和装甲钢靶的材料力学响应,建立了混凝土侵彻问题的有限元-离散元耦合数值仿真模型。通过对比钢纤维混凝土破坏形态和背靶侵彻深度,验证仿真模型对于钢纤维混凝土侵彻问题的适用性。针对3种代表性侵彻工况,模拟分析复合靶间隙以及钢纤维含量对于侵彻响应的影响。仿真结果表明：相比含间隙的复合靶,无间隙的约束条件能够明显减小背靶侵彻深度;钢纤维含量对于背靶侵彻深度几乎没有影响而对混凝土靶破坏形态有较大影响。进一步仿真分析12.7 mm穿甲弹贯穿钢纤维混凝土靶板响应影响因素,得到：圆柱靶直径大于30倍弹径时, 弹体贯穿出靶速度趋于收敛;随着靶体厚度增小,剩余速度与撞击速度趋近于线性关系。