多边形钢管约束混凝土靶抗侵彻性能试验研究

钢管约束混凝土的抗侵彻性能优于普通混凝土。为了研究钢管形状对抗侵彻性能的影响,进行了12.7mm硬芯枪弹(撞击速度600~830 m/s)侵彻正六边形、正方形和圆形钢管约束混凝土靶试验,得到了靶的破坏模式和主要损伤参数。结果表明:正六边形钢管约束混凝土靶的抗侵彻性能优于圆形和正方形钢管约束混凝土靶,含钢率为9.75%时,正六边形靶与圆形靶相比,侵彻深度可减小约11%,侵彻阻力增大约11%;多边形(正六边形和正方形)钢管约束混凝土靶的破坏模式与圆形钢管约束混凝土靶有所不同,其漏斗坑表面裂纹主要分布在对角线附近,核心混凝土侧面裂纹多而细,但无明显主裂纹;多边形钢管约束混凝土靶的侵彻深度随撞击速度近似线性增大,且偏心率小于0.35时,弹着点偏心距对侵彻深度的影响较小。     

钢管约束混凝土抗侵彻机理的数值模拟

基于侵彻试验,运用LY-DYNA软件,有限元法和光滑粒子法相结合,采用混凝土连续帽盖模型,对12.7 mm穿甲弹侵彻小直径钢管约束混凝土厚靶机理进行了数值模拟研究。研究表明:数值模拟结果与侵彻试验吻合较好,可较好地反映钢管约束混凝土靶核心混凝土侧面环向裂纹;钢管对核心混凝土的约束作用主要发生在弹丸扩孔过程;核心混凝土侧面环向裂纹的形成是入射压缩波与靶体背面反射拉伸波及钢管约束效应共同作用的结果;钢管约束混凝土靶的抗侵彻能力优于无钢管约束混凝土靶。     

正六边形钢管约束混凝土靶边长对抗侵彻性能影响的试验研究

钢管约束混凝土在防护结构中具有广阔的应用前景。正六边形钢管约束混凝土靶具有优良的抗侵彻性能,其抗单发和多发打击性能明显优于半无限混凝土靶。为了研究钢管边长对抗侵彻性能的影响,进行了12. 7 mm钨芯穿甲弹(撞击速度600～836 m/s)侵彻不同边长正六边形钢管约束混凝土靶试验,得到了靶的破坏模式和主要损伤参数。结果表明:钢管边长对侵彻深度和侵彻阻力有较明显的影响,边长越小,侵彻深度越小,侵彻阻力越大;撞击速度约600m/s、钢管边长由66 mm减小到55 mm时,侵彻深度可减小约19%,侵彻阻力增大约17%;正六边形钢管约束混凝土靶的侵彻深度随着撞击速度的增大近似线性增加。     

蜂窝钢管约束混凝土靶抗多发打击试验研究

混凝土广泛应用于防护结构,对混凝土施加约束可以有效改善其脆性,从而提高其抗弹性能。钢管约束混凝土抗侵彻性能优良,在防护结构中具有广阔的应用前景。为了研究蜂窝钢管约束混凝土的抗侵彻性能,推进钢管约束混凝土的工程应用,进行了蜂窝钢管约束混凝土靶(STCC)和半无限靶抗12.7 mm穿甲弹多发打击对比试验,得到了靶体损伤模式,测量了漏斗坑的体积与深度等损伤参数,计算了蜂窝钢管约束混凝土靶等效侵彻阻力,分析了先发打击对后发打击的影响。结果表明:蜂窝钢管可将弹丸侵彻产生的混凝土损伤限制在被打击单元内,其核心混凝土的损伤模式为"漏斗坑+侵彻隧道+侧面裂纹";与半无限混凝土靶相比,蜂窝钢管约束混凝土靶抗4发打击的侵彻深度(DOP)可减小约18%,抗6发打击的漏斗坑体积与深度分别可减小约78%和55%,其抗多发打击性能明显优于半无限混凝土靶。     

结构形状对密闭胞元抗射流侵彻性能的影响

针对液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞元的结构形状密切相关性,研究了密闭胞元的结构形状对抗射流侵彻性能的影响。利用LS-DYNA有限元软件进行了数值仿真,分析了结构形状为四边形、圆形、六边形的3种密闭胞元对射流冲击波的反射能力和密闭胞元受到的压力、射流断裂时间及速度区间、剩余穿深、胞元内壁变形等参量,得出圆形密闭胞元反射冲击波的能力最优;圆形密闭胞元的抗射流侵彻能力最强,表现为剩余穿深最小,干扰射流头部速度区间最大;六边形密闭胞元的抗射流干扰能力稍小,干扰射流颈部速度区间最大,吸能最大,变形小且稳定性好;四边形密闭胞元的抗射流侵彻能力最差,内壁变形的振动幅度最大。为研究多胞结构液态复合装甲提供了结构上的设计依据。     

结构形状对密闭胞元抗射流侵彻性能的影响

针对液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞元的结构形状密切相关性,研究了密闭胞元的结构形状对抗射流侵彻性能的影响。利用LS-DYNA有限元软件进行了数值仿真,分析了结构形状为四边形、圆形、六边形的3种密闭胞元对射流冲击波的反射能力和密闭胞元受到的压力、射流断裂时间及速度区间、剩余穿深、胞元内壁变形等参量,得出圆形密闭胞元反射冲击波的能力最优;圆形密闭胞元的抗射流侵彻能力最强,表现为剩余穿深最小,干扰射流头部速度区间最大;六边形密闭胞元的抗射流干扰能力稍小,干扰射流颈部速度区间最大,吸能最大,变形小且稳定性好;四边形密闭胞元的抗射流侵彻能力最差,内壁变形的振动幅度最大。为研究多胞结构液态复合装甲提供了结构上的设计依据。     

基于FEM-SPH耦合法的弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟

针对有限元法(FEM)处理超大变形问题时所存在的困难,基于有限元与光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics:SPH)的耦合方法模拟了弹丸对钢纤维混凝土的侵彻破坏过程。其中弹丸作为刚体处理并划分成Lagrange标准有限元网格,而靶体中心部分划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述钢纤维混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist-Johnson-Cook累积损伤材料模型。数值模拟结果形象再现了弹丸冲击作用下靶体材料破碎、飞溅成坑的物理过程,尤其靶表面碎片飞散的模拟情况与高速摄影照片符合较好,并且侵彻深度计算结果与实验数据具有较好的一致性,FEM-SPH耦合方法显示出了模拟侵彻问题的有效性。研究表明钢纤维能明显增强混凝土基体的抗侵彻性能,且随纤维含量的提高增强效果更佳。     

方钢管混凝土轴压短柱的非线性有限元分析

借助商用有限元分析软件ABAQUS,考虑材料本构关系的非线性以及受力过程中材料Poisson比的变化等因素,建立了方钢管混凝土短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型,讨论了钢管与核心混凝土之间的接触压力、荷载对核心混凝土纵向应力分布的影响以及钢管对核心混凝土的约束效应等问题。有限元计算得到的载荷-变形全曲线与试验结果符合较好。     

碳纤维复合结构的抗侵彻性能分析

为了深入研究碳纤维复合材料新型结构的抗侵彻特性,该文通过构建碳纤维复合结构侵彻模型解析碳纤维的抗侵彻特性和毁伤机制,并通过搭建高速运动分析系统总成对碳纤维模型进行验证。研究结果表明,有限元模拟与试验输出的剩余速度偏差不超过4.5%,模拟后得到的破坏状貌与试验结果比较吻合,因此可以用来构建碳纤维复合结构的有限元模型。弹丸以250 m/s速度侵彻,无法击穿靶板,但是靶板的最内层会产生拉伸损伤。铝合金抗冲击效能不高,聚氨酯泡沫对弹丸动能的损耗较小,而碳纤维材料铺层结构抗侵彻能力较强。     

刚性尖头弹侵彻圆柱形金属厚靶分析模型

考虑金属厚靶侧面自由边界的影响,研究了刚性尖头弹侵彻有限平面尺寸金属厚靶问题。基于有限柱形空腔膨胀理论和线性硬化材料模型,得到了空腔壁径向压力的解析式,建立了刚性尖头弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型。与试验和数值模拟比较表明,该文工程模型计算精度很好。基于所建立的工程模型,研究了靶板半径对侵彻深度和侵彻阻力的影响,结果表明：当靶板与弹丸半径比值小于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度有显著影响,不能按无限尺寸靶板计算;当靶板与弹丸半径比值大于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度影响较小,可近似按无限尺寸靶计算。     

反舰导弹对舰船侵彻及内爆毁伤研究

利用有限元仿真程序,分析了反舰导弹侵彻舰船过程中的结构变化和过载响应,获得了战斗部侵入舱体后的位置信息,据此确定出弹靶舱室内爆的初始条件,随后开展了模拟舱室抗装药内爆的结构设计和静爆试验。研究结果表明：反舰导弹能够穿透高强度钢制舷体,在目标内实现内爆效应;模拟舱室在内爆情况下发生因焊接缝裂开而结构垮塌;加厚壁结构弯曲变形吸收冲击波能,局部凹陷,整体无破坏,能够起到防护重要舱室的作用。     

船用复合结构加筋板侵彻过程的数值模拟研究

针对半穿甲战斗部对带有复合材料层的舰船薄钢靶的侵彻作用,采用数值模拟的方法,结合已有实验数据,分别进行不同形状弹头对船用薄钢靶侵彻效应的影响分析、卵头弹对带有复合材料层以及带有加筋结构的船用薄钢靶的侵彻效应分析。实验证明德玛尔公式在大质量弹体侵彻舰船薄钢靶计算中的适用性,并得到3种形状弹头极限侵彻速度的关系;超高分子量聚乙烯层(UHMWPE)仅对低速弹丸阻碍效果明显;加筋结构可降低大质量弹体侵彻舰船薄钢靶的剩余速度,但影响有限。     

蜂窝材料应力平台区的塑性屈曲变形模式

本文对弹塑性蜂窝材料面内单轴加载时的平台应力及其对应的变形模式进行了理论分析.结果表明:当蜂窝材料胞壁抗弯曲能力提高时,一种新的变形模式一塑性屈曲有可能发生.对于理想弹性蜂窝材料,讨论了胞体几何形状及材料性能对蜂窝材料面内平台应力及变形模式的影响.      

钢管约束混凝土纯弯构件抗弯力学性能研究

采用有限元软件建模对钢管约束混凝土纯弯构件的荷载-变形关系进行了计算,计算结果分别得到了两个圆形及两个方形构件试验结果的验证。在此基础上,利用有限元方法对钢管约束混凝土纯弯构件受力过程中钢管及核心混凝土之间的相互作用以及构件的荷载-变形关系进行了分析,最后探讨了钢管约束混凝土纯弯构件抗弯承载力的实用计算方法。     

正多边形外接填充圆形蜂窝异面动态缓冲性能

目的 为了研究正多边形外接填充圆形蜂窝的缓冲性能,建立不同正多边形外接填充圆形蜂窝的冲击有限元模型,分析研究多边形填充对圆形蜂窝缓冲性能的影响.方法利用Ansys/LS-DYNA建立正三、四、五、六边形外接填充圆形蜂窝的有限元分析模型,用六水平等级法评价分析各有限元模型在异面方向不同冲击速度下的力学性能、变形模式和能量吸收特性.结果正多边形与圆形蜂窝产生了较强的耦合响应,使组合结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者单独冲击数值之和;正六边形外接填充圆形蜂窝结构的六水平等级评价均为A,优于其他组合类型,且在不同冲击速度下不同正多边形外接填充圆形蜂窝的评价结果大致相同;正六边形外接蜂窝结构在冲击载荷下存在3种变形模式,随冲击速度的变化而变化,蜂窝壁厚对其的影响较小.随着冲击速度和壁厚的增大,动态峰应力、密实化总能量吸收和比吸能均有一定程度的提升.结论在耦合效应和动态冲击载荷的综合作用下,正六边形外接填充圆形蜂窝结构的动态力学性能较其他3种结构更为优异;随着蜂窝壁厚和冲击速度的增加,正多边形外接填充圆形蜂窝结构的承载能力和吸能能力都得到增强.     

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。      

刚性弹侵彻有限直径金属厚靶的机理与模型研究

采用统一强度理论,考虑靶板中间主应力效应和靶体侧面自由边界的影响,得到线性硬化靶材在弹塑性阶段和塑性阶段的空腔壁径向应力的表达式,建立线性硬化靶材的统一侵彻模型,求出中低速(v₀≤1000 m/s)刚性弹体侵彻有限直径金属厚靶时侵彻阻力、侵彻深度计算公式,并利用Simpson算法对其进行求解,分析了包括强度准则差异在内的弹道终点效应的一系列影响因素。结果表明:该文计算方法可以更好地描述侵彻过程中弹靶的动态响应,还可以得到一系列基于不同强度准则的侵彻阻力和深度的解析解、对靶材在不同撞击速度下侵彻深度的区间范围进行有效预测;强度参数、弹体撞击速度、靶体半径和弹头形状对有限直径金属厚靶的抗侵彻性能均有较大的影响,其中强度参数值由1减小为0时,侵彻深度增加了22.45%;随着靶弹半径比的减小,侵彻深度不断增大,当靶弹半径比小于等于16时,侵彻深度增大的程度显著,此时靶体边界尺寸对侵彻性能的影响很大,不能继续按照半无限靶体进行计算。     

基于"统一理论"的异形截面 多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算

基于钢管混凝土"统一理论"成果及部分试验结果,研究钢管混凝土柱截面形状由三角形、正方形……正n边形到圆形变化时,钢管对混凝土约束效应的变化规律。通过划分混凝土有效与非有效约束区,引入形状效率的概念,对约束效应进行折减,采用统一的圆形截面计算公式进行计算,回归分析得到截面几何形状内角角度与混凝土约束区划分的关系;然后,以四边形截面为例,研究截面图形规则性与约束效应的关系,给出计算方法;最后,将异形截面多腔钢管混凝土截面按照腔体拆分为简单多边形截面,引入形状效率和规则性的影响,分别进行轴压承载力计算,叠加各腔体承载力后得到整个截面的轴压承载力。研究结果表明:正多边形截面钢管混凝土有效与非有效约束区边界二次曲线初始切线角度与正多边形内角呈线性关系;提出的基于"统一理论"的不规则异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法可较好的反应其约束特征,计算结果与实测结果符合较好,满足工程设计要求。     

陶瓷-活性粉末混凝土复合靶抗侵彻试验研究

为研究陶瓷材料应用到工程防护领域的抗侵彻性能。设计了3块陶瓷-活性粉末混凝土复合靶,利用直径125 mm的特制弹体对陶瓷-活性混凝土复合靶体进行DOP(Depth of Penetration)侵彻试验,得到了弹体的飞行姿态、着靶速度、破坏形态和靶体的侵彻深度、弹坑范围、破坏形态等试验参数,定性分析了陶瓷靶厚度和纤维层约束作用对复合靶体抗侵彻性能的影响;结果表明:陶瓷靶具有优良的抗侵彻性能,在低速(360～400 m/s)情况下对弹体能产生一定侵蚀作用;随着陶瓷靶厚度的增加,陶瓷靶的破坏形态由冲切贯穿型转变为变形凸起型破坏,耗能能力增加,复合靶体的整体抗侵彻能力增强;采用修正的别列赞公式对陶瓷靶的侵彻系数进行了初步分析,并计算了三种厚度陶瓷靶的质量防护系数和差分防护系数。结果表明,试验所用陶瓷靶的抗侵彻能力约为普通C40混凝土的4.9倍,从而为陶瓷材料在重要防护工程的推广使用提供参考。     

刚玉块石混凝土抗弹丸侵彻效应试验研究

块石混凝土由于取材方便、工艺简单等特点,作为遮弹材料一直为人们所关注。但块石自身强度有限,对于大威力的现代弹种,遮弹效果受到了一定限制,以致实际工程中块石混凝土遮弹层厚度太大,施工不便,影响了块石混凝土遮弹层的应用。刚玉块石具有强度高、硬度大等独特的力学性能,利用它代替块石混凝土中的普通块石,研制成一种由刚玉块石和混凝土共同浇注组成的抗侵彻复合材料。为了研究这种新型材料的防护性能,对混凝土和刚玉块石混凝土进行了实弹射击对比试验。制作了刚玉块石混凝土靶体6块,混凝土靶体3块,使用坦克炮发射φ125模拟弹。结果表明,刚玉块石混凝土具有优良的抗侵彻性能,它能够使弹体破坏、变形或跳弹。提高侵彻速度,刚玉块石混凝土靶体破坏情况变化不明显,表明刚玉块石混凝土对抵抗更高速度的弹丸侵彻有效。与相同强度等级混凝土相比,刚玉块石混凝土靶体侵彻深度减小很多。整块刚玉块石完全能够阻止弹丸的侵入。研究成果可为刚玉块石混凝土遮弹层的工程应用和深入理论分析提供依据。