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侵彻半无限厚靶的理论模型与数值模拟研究

楼建锋  
【摘要】:本文针对侵彻半无限厚靶问题,将其划分成刚性弹侵彻、长杆弹高速侵彻、大范围着速的侵彻问题等方面,系统地开展了理论分析和数值模拟研究。内容涉及理论分析模型、数值模拟方法、侵彻性能的影响因素和参数敏感性分析等。本文的研究工作对于侵彻毁伤评估、动能武器研制和防护工程设计,都有重要的理论和实际指导意义。研究内容主要有以下几个方面: (1)系统分析了刚性弹侵彻半无限厚靶的相关理论,包括空腔膨胀理论、速度势和速度场理论,以及主要的半经验、经验公式。分别针对金属材料和混凝土类材料,讨论了常用的侵彻深度计算公式的优缺点和适用性,分析了屈服强度对计算结果的影响,以及弹头形状对侵彻深度的影响。研究表明,弹头形状对侵彻深度有较大的影响。 (2)总结了长杆弹高速侵彻半无限厚靶的理论模型,将6个主要的模型统一写成A-T模型的形式,编制了计算程序,研究了靶板阻力项随侵彻速度和撞击速度的变化关系,讨论了各模型的差异。系统分析了弹靶材料的动态屈服强度、杆弹的长径比对侵彻性能的影响。研究表明,靶的动态屈服强度比长杆弹的动态屈服强度对侵彻深度的影响更明显。 (3)对于大范围着速的侵彻问题,首先,基于对刚性弹到侵蚀弹过渡区间侵彻行为的分析,构造了过渡区靶板阻力的唯象模型和侵彻深度的计算公式,确定了过渡区边界速度的求解方法。其次,在分析三个响应区特征的基础上,构建了三段组合式的理论分析模型,组合模型的预测侵深与试验数据符合较好。 (4)针对钨合金杆高速侵彻半无限厚铝合金靶问题,使用Lagrange方法,开展了数值模拟研究,分析了钨合金杆的材料参数(失效应变、屈服强度和剪切模量)的敏感性,以及弹头形状和长径比对侵深的影响。研究结果表明,失效应变是影响侵彻深度的主要参数,而屈服强度和剪切模量对侵深的影响很小;在较低的撞击速度下,头部形状对侵彻深度的影响较大,而在高着速的情况下,影响很小;以杆长无量纲化的侵彻深度随长径比的增大而降低,表明采用增大长径比提高长杆弹侵彻能力的方式将随着长径比的不断增大,侵彻效率逐渐降低。 另外,对大范围着速的钨杆侵彻铝靶问题,划分成中低速和高速两个区间,选用不同的本构关系,分别建立计算模型进行了数值模拟。在低着速(600m/s)与高着速(800-2000m/s)情况下,计算结果和试验数据较好地符合,同时,过渡区侵彻深度突然大幅下降的现象也有所反映。 (5)讨论了钢筋混凝土靶的建模问题,分析了三种钢筋和混凝土耦合建模方法的优缺点,以及材料失效判据对计算结果的影响。通过数值模拟研究了含筋率和弹着点对钢筋混凝土靶抗侵彻性能的影响。研究表明,钢筋越粗或者钢筋编织越密,即含筋率越高,钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力越强,尤其对于动能弹直径大于靶板中钢筋间距的情况;同时,弹着点对动能弹侵彻能力有较大的影响。 针对均匀规则的靶网结构,构造了任意着靶位置的剩余速度或侵彻深度的预估公式。利用这个公式,只需得到三个典型位置动能弹穿靶后的剩余速度或侵彻深度,就可以有效地求解任意着靶位置的剩余速度或侵彻深度。 (6)对于动能弹侵彻多介质组合靶问题,通过数值模拟得到侵彻轨迹、弹体速度、减加速度以及侵彻深度的变化曲线,着重分析了入射倾角和攻角对侵彻毁伤的影响规律。对大倾角斜侵彻问题有了新的认识,弹体在侵彻过程中可能发生反向偏转,深入分析后得到,弹道偏转是由于弹体周围靶板的损伤程度不同引起。


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