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弹体非正侵彻混凝土质量侵蚀与运动轨迹研究

闪雨  
【摘要】:采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法,研究了刚性/侵蚀弹体非正侵彻贯穿混凝土靶的过程。在分析比较空腔膨胀理论对不同类靶体适用性的基础上,建立了考虑侧壁摩擦的侵彻模型,改进了Jones质量侵蚀及Warren自由面模型,分别对刚性弹体非正侵彻半无限靶及刚性/侵蚀弹体非正侵彻贯穿有限厚靶的弹道进行了计算,研究了侵彻弹道、弹体轴向/横向过载的影响因素。研究结果可为高速非正侵彻体的侵彻能力预估、结构响应分析、结构优化及材料选择提供理论基础。 (1)采用动力学有限元软件LS-DYNA研究了动能弹侵彻阻力中靶体惯性项的作用。对于金属靶,稳定侵彻时的阻力可看作常数;对于混凝土等脆性靶体,存在一个临界速度,当弹体速度大于该临界值时,侵彻阻力中惯性项的作用比较明显。空腔膨胀理论适用于脆性靶体,可用靶体的破坏数D表征靶体抗侵彻阻力中惯性项的作用,D值越小,惯性项的作用越小。 (2)基于空腔膨胀理论,建立了考虑弹体侧壁摩擦力的侵彻模型,研究了侧壁摩擦对侵彻的影响规律。当弹体初速度介于800~1300m/s时,忽略侧壁摩擦将给侵深带来至少10%的偏差。 (3)采用实验与理论结合的方法,研究了弹体材料对动能弹质量侵蚀的影响规律,改进了Jones侵蚀模型,提出了弹体头部形状演化的计算方法。与实验结果的对比表明,改进模型适用于软、硬不同类材料,可准确计算质量侵蚀量、侵深、弹体头部形状演化等。 (4)基于微分面力法、空腔膨胀理论、改进的自由面效应模型,并考虑弹靶分离~再接触效应,建立了刚性弹体非正侵彻半无限靶的运动轨迹计算模型。弹体轴向/横向过载、垂直/横向位移、姿态角等模型预测结果均与实验数据吻合较好。研究了侵彻弹道及弹体轴向/横向过载的影响因素,给出了减小弹道偏转及降低弹体过载的弹体结构设计原则。 (5)基于改进的质量侵蚀模型及刚性弹体非正侵彻半无限靶的弹道预测方法,通过引入靶体背面的自由面效应,提出了侵蚀弹体非正侵彻有限厚靶的弹道预测方法,研究了非对称侵蚀对侵彻过程的影响规律。与实验数据的对比表明,该方法可准确地预测弹体的质量侵蚀量及侵彻行程。侵彻初期,侵蚀弹体的轴向过载、横向过载、横向偏移、角加速度、角速度均大于刚性弹体。考虑侵蚀后,弹体最终的垂直侵深、横向位移、姿态角均小于刚体侵彻。 (6)建立了刚性弹体非正侵彻/贯穿有限厚靶的弹道计算模型。与实验数据的对比表明,本文建立的理论模型可有效预测垂直侵彻、非正侵彻时弹体的垂直/横向位移、弹体的姿态角,以及垂直贯穿、非正贯穿时弹体的剩余速度、弹体姿态角的变化等。


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