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.     

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。     

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。     

破片侵彻双层横舱壁剩余速度预报研究

文中对破片侵彻单层体单元靶板过程进行数值模拟研究,根据动态响应结果统计出破片侵彻靶板后的直径和靶板冲塞块厚度,从而建立破片墩粗率和靶板冲塞比关于破片直径和靶板厚度的关系;其次,结合数值仿真计算结果,对破片侵彻单层靶板剩余速度半经验公式中的参数进行计算,提出了破片侵彻双层横舱壁结构剩余速度预报公式,对公式的可靠性进行了验证.     

航母甲板侵彻效应的数值仿真模型研究

采用数值仿真方法,建立半穿甲战斗部对航母甲板侵彻效应的数值仿真计算模型;确定了材料模型及参数;结合相关试验数据对模型进行验证。结果表明,在选取的6个正侵彻算例和3个斜侵彻算例中,弹丸穿过靶板后的剩余速度与相关参考文献中的相应实验测定值之间的最大相对误差和平均相对误差分别为6.81%和2.37%,且计算得到的破坏模式与实验结果相一致,验证了模型的有效性。该模型可应用于半穿甲战斗部侵彻航母甲板的毁伤效应研究。     

超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型

结合超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合厚板抗高速侵彻的特点,将整个侵彻过程分为开坑镦粗、剪切压缩和拉伸变形3个阶段。通过改进开坑镦粗阶段的计算方法和拉伸变形阶段的计算过程,基于能量守恒原理建立UFRP层合厚板抗高速钝头弹侵彻的弹体侵彻深度和靶板弹道极限的计算模型,并给出相应的计算流程图。通过采用该模型计算相关文献试验工况下的弹体侵彻深度和层合厚板弹道极限,发现计算值与文献试验结果均吻合较好。改进后的模型考虑了弹丸初速度对开坑镦粗阶段侵彻深度的影响,能够对高速钝头弹侵彻UFRP层合厚板的弹体侵彻深度和层合厚板的弹道极限进行合理的预测,并可降低试验成本。     

电磁轨道炮超高速弹丸侵彻靶板仿真研究

针对电磁轨道炮超高速弹丸侵彻靶板问题,建立超高速弹丸与靶板模型,利用Abaqus软件,结合Mie-Grüneisen状态方程、Johnson-Cook本构方程和Johnson-Cook断裂准则,对钨合金弹丸以同样速度不同旋转速度侵彻靶板,对钨合金弹丸以不同速度侵彻同样靶板,对钨合金弹丸以同样速度侵彻不同材料靶板进行仿真研究。对各种条件下超高速弹丸侵彻靶板过程进行了剖析,得到4条仿真结论。     

超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型北大核心CSCD

结合超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合厚板抗高速侵彻的特点,将整个侵彻过程分为开坑镦粗、剪切压缩和拉伸变形3个阶段。通过改进开坑镦粗阶段的计算方法和拉伸变形阶段的计算过程,基于能量守恒原理建立UFRP层合厚板抗高速钝头弹侵彻的弹体侵彻深度和靶板弹道极限的计算模型,并给出相应的计算流程图。通过采用该模型计算相关文献试验工况下的弹体侵彻深度和层合厚板弹道极限,发现计算值与文献试验结果均吻合较好。改进后的模型考虑了弹丸初速度对开坑镦粗阶段侵彻深度的影响,能够对高速钝头弹侵彻UFRP层合厚板的弹体侵彻深度和层合厚板的弹道极限进行合理的预测,并可降低试验成本。     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验。分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能。结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂。泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高。面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响。同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能。     

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。     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验.分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能.结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂.泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高.面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响.同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能.     

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。     

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。     

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。     

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。     

新型环形EFP垂直侵彻靶板数值模拟

提出一种截面呈弧锥结合状的变壁厚环形药型罩结构,对其形成环形爆炸成型弹丸(EFP)的过程进行数值模拟;建立了舰船侧舷防护模型,将舰船目标等效成多层间隔薄靶,使用新的环形EFP对三层间隔靶板开展垂直侵彻研究。结果表明:新型环形EFP具有良好的飞行稳定性、密实度和材料利用率高等优点;侵彻体可切透前两层靶板,对第三层靶板开环形坑8mm深,切孔外半径达83.39mm;侵彻体速度呈阶梯式下降,在切透第二层靶板时质量损耗最大。     

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。     

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.     

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。     

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。