弹靶侵彻动态响应的理论与数值分析

【摘要】： 本文讨论国防工程中钻地弹等武器研制以及防护设施建设相关的弹靶动态响应问题。弹体碰撞靶体并进入靶体内部的动力学过程称为侵彻，它涉及到弹体和靶体的大变形等几何非线性、塑性和损伤断裂等材料非线性和接触作用的边界非线性问题，因此是力学、材料学和计算数学学科中的挑战性课题，目前还有许多与实际工程密切相关的问题得不到很好的解答。 本文的主要工作如下： 1长杆弹体侵彻问题理论分析及应用研究。 长杆弹体是侵彻较厚靶体的常见弹体。分析长杆弹体侵彻厚靶问题的理论方法主要有空腔膨胀模型和Tate模型，其缺点是在实际应用中都需要人为调整材料参数。 本文基于速度势分析的方法研究刚性长杆弹体对有限厚靶的侵彻与穿透问题。推导了靶体中速度场与应力场的计算方法，据此研制了分析侵彻过程的计算程序。利用该程序计算了卵形、锥形和球形等不同头部形状的长杆弹侵彻问题，同实验和有限元程序的比较表明该理论分析方法能够反映弹靶侵彻过程的力学机制，其计算结果切实可信。同其它侵彻问题分析方法相比，该分析方法无需人为调整材料参数即可得到同实验一致的结果。同基于大型程序软件的数值模拟相比，其材料参数易于确定，计算时间大大减小。 计算分析铝靶侵彻和穿透的缩比模型问题，得到了无量纲侵彻深度和剩余速度相等以及弹体减加速度与几何尺寸成反比的重要结果。研究混凝土靶板侵彻问题，适当选取混凝土强度参数后可得到同实验基本一致的计算结果。该分析方法可以在相关的工程问题研究中广泛应用。 2 LTZ-2D程序数值模拟弹体侵彻混凝土靶板时的动态响应问题。 LTZ-2D程序是二维有限元弹塑性流体力学程序，适用于高速碰撞等问题的动力学分析。LTZ-2D程序在数值模拟厚靶侵彻问题时，侵彻深度等计算结果的误差较大。为解决这一问题，本文对LTZ-2D程序进行了二次开发。 LTZ-2D程序中的混凝土本构模型主要采用JH-1模型，其缺点是损伤度对强度影响较小，本文对JH-1本构模型进行了修正。另外，分析计算模型中靶体网格划分和侵蚀因子等因素对计算结果的影响，确定了建立计算模型的基本方法。减小了LTZ-2D程序侵彻深度等计算结果的人为性影响。给出同实验相符的侵彻深度、弹体速度和减加速度随时间的变化等计算结果，以及定性合理的弹体压力、等效应力和等效应变的分布等结果。据此对装药弹体模型优化设计等问题进行数值模拟的论证分析。 3冲击载荷下混凝土本构模型的分析与构建研究。 防护工程以及多级弹体对混凝土介质的冲击等问题中需要密切关注混凝土介质的损伤和破裂情形，为对此问题进行更有效的数值模拟分析，迫切需要构建能够更好地描述冲击载荷下混凝土动态力学性能的本构模型。 本文系统总结了混凝土的动态力学性能实验结果和有代表性的混凝土本构模型，分析适用于冲击问题的混凝土本构模型的构建要素。在此基础上，构建了一个适用于数值模拟冲击问题的新的混凝土本构模型，该本构模型全面考虑了应力的第二和第三不变量、应变率以及拉伸和剪切损伤等诸多影响因素，可以描述混凝土力学响应中线弹性、塑性硬化和损伤软化的力学过程。构建本构模型时，在拉压子午线之比同应力球量的关系、各个屈服面之间硬化与软化的描述以及拉伸损伤等几个方面提出了新的方法。将所构建的本构模型加入到LTZ-2D程序，研究确定了混凝土本构模型参数，对混凝土靶板的穿透问题进行了数值验证分析。结果表明计算得到的弹体剩余速度同实验结果基本一致，并成功得到混凝土靶板破裂的计算图像。本文所构建的本构模型能够较好地反映冲击载荷作用下混凝土动态响应的主要特性，比冲击问题分析中常用的JH-1混凝土本构模型优越。 4混凝土靶斜侵彻问题三维数值计算与分析。 武器与目标的相互作用的过程通常都属于斜侵彻问题，此时弹体碰撞靶体有一定的倾角(弹体轴向与目标面法向夹角大小)，或有一定的攻角(速度方向与弹体轴向夹角大小)。斜侵彻相关问题的数值模拟需要三维程序计算，LS-DYNA是使用较多的软件之一。 本文对LS-DYNA软件的计算结果进行了详尽的定量检验和定性分析。利用LS-DYNA数值计算装药弹体斜侵彻混凝土靶问题，主要关注弹壳内部装药的压实效应以及倾角和攻角对弹体动态响应的影响。计算结果及其分析表明，在侵彻的早期阶段，装药已经压实，装药和弹体尾部留出空隙。倾角和攻角都会引起弹体的偏转和弹壳应力的升高，降低弹体的侵彻能力。攻角(如5°)可能严重地影响侵彻过程。