破片侵彻X型夹芯双层舱壁结构的数值分析

利用非线性瞬态动力学软件MSC/Dytran,对战斗部破片侵彻X型夹芯双层舱壁结构的过程进行数值模拟,分析在不同质量及初始速度下破片的剩余速度和舱壁结构的能量变化,总结了破片的剩余速度和舱壁结构的吸能随侵彻载荷参数变化的规律。最后在破片侵彻单层靶板剩余速度经验公式的基础上,运用等效厚度法对单层靶板剩余速度经验公式进行修正后,得到了破片侵彻双层舱壁结构的剩余速度公式,为双层舱壁结构工程化应用提供参考。     

Ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene laminates against fragment-simulating projectiles北大核心CSCD

[目的]旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。[方法]采用有限元软件ANSYS/AUTODYN,建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型,分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。[结果]破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大,剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下,随着破片侵彻速度的提高,剪切冲塞模式占比越来越大,最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内,靶板吸能随破片入射速度增大有所减小,随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围,导致靶板整体吸能量增加。[结论]基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程,可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。     

冲击波和破片对超高分子量聚乙烯板联合作用的仿真模拟

为研究超高分子量聚乙烯板在爆炸冲击波和破片侵彻联合载荷作用下的破坏及响应,采用LS-DYNA数值仿真的方法来模拟爆炸产生的冲击波及破片群作用到靶板上的过程,通过改变爆炸距离、载荷形式和靶板厚度等因素,得到在不同条件下靶板变形破坏的结果.其模拟的结果表明:相比于冲击波或破片群的单一载荷作用,联合载荷作用对靶板的破坏能力更强;在联合作用下,随着爆距的增加,靶板的整体弯曲变形和破坏程度减小,靶板的破坏模式由开始的集团冲塞破口转为穿孔破口和撕裂破口共同存在,直至只存在穿孔破口;在联合作用下,随着靶板厚度的增加,破片群穿透靶板的剩余速度逐渐减小,速度衰减率增大,靶板抵御破片侵彻的能力提高,但仅改变靶板厚度对整体变形及破坏模式的影响并不明显.     

高强聚乙烯层合板抗侵彻性能

以世界上较为通用的破片模拟弹作为高强聚乙烯层合板的防御对象,利用高速摄影技术得到了破片的具体侵彻过程,并通过弹道试验,得到了弹道极限和剩余速度的试验值。试验后的靶板变形模式和吸能机理表明:高强聚乙烯层合板在弹道极限附近的防护效率最高。根据试验结果拟合得到了不同面密度下的靶板弹道极限和剩余速度的经验公式,并比较了经验公式和经典公式计算值与试验结果,前者与试验结果吻合较好。     

杆式破片不同攻角垂直侵彻硬铝靶板数值模拟

采用LS-DYNA显示分析,研究了杆式破片在不同攻角垂直侵彻硬铝靶板的响应,得出了不同着靶角度下破片侵彻能力,分析了临界速度、剩余速度、破口直径以及靶板塑性区域等参数,并总结了这些参数的变化规律。     

石墨烯增强铝基SiC复合材料抗侵彻机理试验与数值仿真

[目的]旨在研究新型轻质复合装甲板——石墨烯增强铝基SiC复合材料装甲靶板的抗侵彻失效机理。[方法]利用光镜与扫描电镜对石墨烯增强铝基SiC复合材料进行微观形貌观察;结合弹道枪试验,利用AUTODYN有限元软件建立1/2模型,破片质量为30 g,靶板厚度为43 mm,采用不同的本构模型描述材料,进行数值模拟仿真计算。[结果]结合弹道枪试验及仿真计算,得到石墨烯增强铝基SiC复合材料复合靶板抗侵彻的过程为:破片侵彻靶板时,靶板表层铝合金受破片挤压形成环形卷曲破口,破片继续向后挤压过程中,靶板不断侵蚀破片头部;且破片不断向后冲击剩余靶板形成变形锥,破片速度足够大时,贯穿靶板形成花瓣型破口。[结论]结合微观形貌观察及弹道枪试验,仿真计算结果显示:Johnson-Cook,Cowper-Symonds及Johnson-Holmquist 3种本构模型中,Johnson-Holmquist本构模型更适合描述石墨烯增强铝基SiC复合材料的抗侵彻机理。     

基于物质点法的弹体侵彻靶板破甲特性数值模拟

[目的]针对有限元法处理弹体侵彻船用钢板时因网格畸变而无法准确模拟破口破坏形态及其形成的动态过程的问题,[方法]采用基于物质点法(Material Point Method,MPM)构建弹体侵彻舰船板壳结构的数值仿真模型,模拟弹体在侵彻过程中的破甲特性。将在不同初速度下侵彻5和10 mm厚靶板后的破口及塑性变形模拟结果与实验结果进行对比,以验证所提方法的有效性。[结果]结果表明:物质点法的模拟结果与实验结果吻合较好;弹体侵彻靶板的破口以及塑性变形区基本保持不变,且破口略大于弹体直径;弹体对靶板的破坏属于冲塞形式的穿甲破坏;半球形弹体以低、中、高的速度侵彻舰船外壳的靶板破坏形式属于冲塞破坏模式,速度大小对靶板的破口影响不大,而对靶板破口处隆起的高度影响较大。[结论]所提数值方法可为研究导弹侵彻舰船板壳提供新的有效途径,计算结果可为舰船结构的防护设计提供参考依据。     

球形破片侵彻金属靶板的数值模拟研究

利用三维非线性有限元软件LS-DYNA对球形破片在不同速度以及不同入射角度下侵彻金属薄板的过程进行模拟,得出破片的极限穿透速度、剩余速度、剩余质量以及靶板的破坏模式等结果信息,总结出侵彻性能与破片初速度以及入射斜角的关系,以期能够为工程设计以及军事应用提供依据。     

陶瓷/钢复合装甲抗高速破片侵彻性能数值模拟

针对反舰武器爆炸产生的破片,舰船舷侧可以设置陶瓷/钢复合装甲进行防护。本文利用数值方法分析陶瓷/钢复合装甲抗高速破片侵彻性能,在验证数值方法的基础上,探究破片形状、破片初始速度、陶瓷与钢板不同厚度组合对陶瓷/钢复合装甲抗侵彻性能影响,分析破片侵彻陶瓷/钢复合装甲过程。结果表明,陶瓷/钢复合装甲抗FSP弹侵彻性能最差,在设计陶瓷/钢复合装甲时,可选FSP破片作为设计载荷;抗锥形弹侵彻性能最好,抗锥形弹的最优陶瓷/钢复合结构比钢板的弹道极限速度提高了224 m/s;随着侵彻速度增加,破片的剩余质量近似呈线性减小,弹靶之间的作用力峰值不断增加,作用力峰值出现时间不断提前,弹靶作用时间降低。     

穿甲弹侵彻靶板数值模拟研究

基于Johnson-cook材料屈服模型描述材料本构关系,引入材料失效参数与单元删除技术,运用ABAQUS建立穿甲弹侵彻目标靶板的三维数值模型,研究探讨穿甲弹对靶板结构的毁伤机理及弹体碰撞冲击作用下靶板结构的损伤模式和动响应特性。分析结果表明：单元失效删除技术适用于处理侵彻冲击等大变形问题,穿甲弹侵彻靶板是典型的冲塞破坏,数值模拟的弹体剩余速度与参考文献结果吻合较好,充分验证了文中所建立的数值模型在预测侵彻过程中的动力响应及损伤的合理准确性。该研究方法与结论可为进一步研究物体碰撞时的侵彻和材料失效问题提供依据,也为穿甲弹结构优化设计及舰船结构装甲防护设计提供参考。     

反舰导弹战斗部爆炸破片初速和空间分布

为了研究反舰导弹战斗部破片的毁伤能力,首先分析战斗部破片形成原理。研究破片空间分布规律,以破片运动的基本公式为出发点,采用修正后的初速理论计算。利用数值模拟方法,模拟装药弹体爆炸实验,得到了弹体侵彻靶板后,破片的空间运动过程。结果表明:由于弹体各个部位厚度不同,产生的破片初速不同,空间分布也不同;同时也说明高速破片对人员和设备有很强的杀伤作用且作用范围大。     

钢/玻璃钢组合结构对高速弹丸的抗侵彻特性

为探究钢与玻璃钢的组合结构形式对舰船舱壁复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置玻璃钢来分别模拟舰船舱壁外设及内设复合装甲结构,结合高速弹道冲击实验,分析、比较2种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展高速立方体弹丸侵彻组合靶板的数值模拟计算,分析组合靶板的侵彻过程,并与实验结果进行比较。结果表明,数值计算结果与实验结果较为吻合;2种组合靶板中复合装甲板的破坏模式均主要为钢板的剪切冲塞破坏和玻璃钢的纤维剪切断裂,后置组合靶板中玻璃钢背层伴随有纤维的拉伸破坏;前置组合靶板的抗弹吸能能力要稍大于后置组合靶板。     

饼形破片入水侵彻速度衰减公式的修正

[目的]破片是舰船液舱防护的重点对象,开展高速饼形破片入水速度衰减特性研究可为液舱的防护分析和优化提供理论参考。[方法]首先,考虑破片入水过程中阻力系数的变化,引入经验系数a和b,改进经典理论公式;然后,采用数值仿真方法模拟破片入水过程,将仿真结果与经典理论公式和改进公式的计算结果进行对比;最后,通过经验系数a和b,研究初始速度和长径比对破片侵彻速度衰减规律的影响。[结果]结果显示,与经典公式相比,改进公式更适用于研究饼形破片入水侵彻速度的衰减特性。阻力系数与长径比有关:当长径比小于0.5时,阻力系数受侵彻位移变化的影响较大;当长径比大于0.5时,阻力系数受侵彻位移变化的影响较小,可以把阻力系数看作常数。[结论]利用改进的理论公式可以简单计算液舱对饼形破片的防护效果。     

高速弹体穿透铝合金靶板液舱速度衰减特性研究

为了研究液舱对高速弹体的防护机制,开展了高速弹体穿透液舱过程速度衰减特性的研究。在液舱弹道冲击试验的基础上,分析了液舱后靶板变形对弹体水中运动速度衰减效应的影响。以能量分析为基础,综合弹体穿甲运动方程和弹体在流场中运动速度衰减的规律,建立了简化分析模型,并推导了弹体侵彻液舱后的剩余速度公式。该模型综合考虑了前靶板背水、后靶板变形以及弹体墩粗对弹速衰减的影响。还针对试验中不同铝合金靶板厚度提出了两种弹体穿甲计算模型。计算结果表明：弹体撞击背水靶板时消耗更多能量;由于液舱后靶板的变形,弹体在水中运动的实际距离要大于初始液舱宽度,使得弹体的剩余速度进一步减小;弹体撞击中厚靶板会出现墩粗变形,从而增加了其在水中运动时的阻力。弹体剩余速度的理论模型与试验结果比较接近,文中给出了误差分析。     

侵彻数值仿真中网格密度对单元失效应变影响分析北大核心CSCD

[目的]旨在解决数值模拟平头弹对金属板的侵彻问题中,网格尺寸对单元失效应变取值和弹体剩余速度的影响。[方法]应用有限元软件LS-DYNA对Q235钢材料单轴拉伸实验进行数值仿真,结合实验中试样断裂时的伸长量得到该网格密度下的单元失效应变,绘制出失效应变随网格密度变化的曲线并进行动态修正;然后,进行平头弹侵彻Q235钢板的数值仿真,并对靶板进行不同尺寸的网格划分。其中Q235钢材料的单元失效应变按修正曲线取值,将弹体的剩余速度与实验结果对比,分析数值仿真中网格密度对金属板抗侵彻问题仿真结果的影响。[结果]研究表明,数值仿真中选取的单元失效应变应随网格密度的增大而增加,在金属板的抗侵彻问题中随着网格密度的增大,对弹体剩余速度预报的仿真结果逐渐收敛并与实验结果相近。当网格尺寸为0.5 mm时,研究速度段内数值仿真与实验拟合曲线的平均相对误差最小,为5.13%;仿真与实验的误差在低速段更大,且低速度段弹体剩余速度对网格密度更加敏感。[结论]相关计算方法及研究结果对弹体侵彻问题中网格密度和材料失效应变的取值及变化规律具有一定参考价值。     

绝热剪切效应对背水靶板的抗侵彻特性影响的研究（英文）

绝热剪切效应是材料破坏的重要机理之一。文章开展了动态冲击作用下的材料绝热剪切试验,计算了绝热条件下材料的塑性温度升高。建立了背水靶板的FEM全流固耦合模型,采用考虑了温度效应的Johnson-cook模型开展了爆炸破片侵彻舰船液舱舱壁过程的计算。结果表明:(1)材料在高应变率下的绝热温升不可忽略;(2)弹体侵彻背水靶板过程可分为4个典型阶段,分别为墩粗凿坑阶段、碰撞形成速度共同体阶段、绝热剪切阶段和扰动液体阶段;(3)考虑温度效应的剩余速度明显小于不考虑温度效应的剩余速度;速度较低时,是否考虑温度效应预测的剩余速度值差异较小,随着初始速度的增大,差异逐渐增大。     

绝热剪切效应对背水靶板的抗侵彻特性影响的研究

绝热剪切效应是材料破坏的重要机理之一.文章开展了动态冲击作用下的材料绝热剪切试验,计算了绝热条件下材料的塑性温度升高.建立了背水靶板的FEM全流固耦合模型,采用考虑了温度效应的Johnson-cook模型开展了爆炸破片侵彻舰船液舱舱壁过程的计算.结果表明:(1)材料在高应变率下的绝热温升不可忽略;(2)弹体侵彻背水靶板过程可分为4个典型阶段,分别为墩粗凿坑阶段、碰撞形成速度共同体阶段、绝热剪切阶段和扰动液体阶段;(3)考虑温度效应的剩余速度明显小于不考虑温度效应的剩余速度;速度较低时,是否考虑温度效应预测的剩余速度值差异较小,随着初始速度的增大,差异逐渐增大.     

反舰导弹战斗部破片对不同材料舰船结构的毁伤研究

通过对国内外反舰导弹及战斗部破片计算方法进行调研,针对典型导弹战斗部通过破片的半经验公式计算出相应的破片初速,破片数及质量分布,并针对不同的材料属性结合经验公式计算出不同钢板的击穿速度以及剩余速度等。对各种材料通过设置不同板厚并结合剩余速度和击穿速度的对比判断相应的击穿层数及毁伤效应发现,增加材料板厚的抗爆效果要比增加材料极限强度明显,为加强舰船结构的抗爆能力提供参考。     

爆炸破片侵彻钢/陶瓷/铝复合板的数值计算研究

陶瓷复合装甲具有优良的抗弹性能,合理设置复合靶板各层厚度有利于提高其抗弹性能。文章采用非线性动力学程序AUTODYN,模拟了直径为8mm的圆柱形破片对钢/陶瓷/铝复合靶板的侵彻过程,分析侵彻过程中靶板的破坏机理。通过一系列模拟,分析钢面板厚度、陶瓷层厚度以及铝背板厚度对复合靶板抗侵彻性能的影响,研究表明在面密度一定时,减小面板厚度,增加陶瓷和铝背板厚度对复合靶板的抗弹性能有明显提高。     

攻角对半穿甲战斗部侵彻航母双层靶板的效应研究

采用数值仿真方法,建立半穿甲战斗部对航母双层板侵彻效应的数值仿真计算模型,并计算战斗部以6种不同攻角侵彻目标的动态响应过程.结果表明,攻角对战斗部侵彻航母双层靶的能力有显著影响.随着初始攻角增加,战斗部的靶后余速下降,当初始攻角为20°和25°时,战斗部未能穿透航母的吊舱甲板.战斗部撞击吊舱甲板的攻角相对于初始攻角均有所增加,严重影响了战斗部对吊舱甲板的侵彻能力.战斗部对目标的侵彻破坏模式均属于延性扩孔和冲塞破坏模式.战斗部侵彻航母双层靶的过载较大且高过载持续时间长.当攻角大于10°时,战斗部在侵彻第1层靶板时,横向过载比较明显,导致战斗部结构出现不同程度的弯曲变形,这些因素给战斗部的结构完整性、装药稳定性和引信可靠性带来严峻挑战.该研究可用于指导半穿甲战斗部设计及其毁伤效应研究.