防护工程中若干规律性问题的研究和机理分析

【摘要】：掘开成层式结构是防护工程中常见的结构形式,随着侵彻能力愈来愈强、爆炸威力愈来愈大的新型钻地武器不断出现,研究新型防护结构以提高防护工程的抗侵彻能力和抗爆炸性能显得愈加重要和急迫。围绕这一主题,采用实验、试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,重点研究了长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板特别是混凝土靶板的侵彻机理以及分层结构、含空穴和含空壳结构的削波吸能特性,并给出了新型组装式复合遮弹层和复合分配层的结构形式。 本文主要研究内容和创新性成果如下: 1)长杆弹侵彻机理的研究 对长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板的问题,就一些主要因素(杆截面形状、头部形状、杆长径比、弹靶密度比、入射速度、弹体与靶板的材料强度等)对其归一化侵彻深度的影响趋势开展了系统的研究,得出了一系列对工程应用有指导意义的规律性结论并分析了其机理。如:证实了三角形截面弹的侵彻能力明显高于圆截面弹的侵彻能力,并指出其机理是三角形截面杆弹的自锐效应以及与此相伴的弹洞及吸能减小;分析总结了不同弹靶强度条件下在不同弹速范围内弹头形状对归一化侵彻深度的影响规律并得出了一些新的结论;建立了侵彻准稳定阶段中弹体速度与入射速度、弹体速度与侵彻速度的关系,研究并证实了弹体归一化侵彻深度与入射速度的关系;在确定的弹体动能条件下,分别给出了一定弹速下达到最大侵彻深度的杆弹最优化长径比和一定长径比条件下达到最大侵彻深度的杆弹最优化弹速;等等。这些结论对弹靶的优化设计都有指导意义。 2)混凝土工事抗侵彻性能的研究及新型遮弹层的设计 建立了改进的计及应变率效应的混凝土抗侵彻土盘模型和改进的规范化算法,避免了计算障碍并提高了计算精度和计算效率;建立了计及材料应变率效应的抗侵彻相似准则,并以所提出新工程算法对大缩尺比混凝土抗侵彻问题系列数值计算结果为基础,得出了对(不计及材料应变率效应时才成立的)抗侵彻几何相似律的修正相似律;总结了现阶段多孔硬脆性材料SHPB实验技术及其数据处理方法,利用该技术和MTS对不同钢纤维含量混凝土的动静态力学性能进行了实验研究,得出了材料强度与应变率和钢纤维含量的关系;对不同钢纤维含量混凝土的抗侵彻性能及双层钢纤维混凝土靶板的抗侵彻性能进行了室外弹道试验研究,得出了不同钢纤维含量下的弹速-剩余弹速关系曲线。最后综合长杆弹侵彻机理及本章相关研究结论给出了新型组装式复合遮弹层的结构形式。 3)分层与含空穴结构防护性能的研究及应用 对分层结构中弹性波的传播以及最优削波分层结构的形式进行了理论分析。利用室外大尺度相似化爆试验研究了分层式分配层结构和含空穴的分配层结构在平面冲击加载和集团装药爆炸条件下的防护性能并进行了相应的数值计算。结果表明:分层结构由于应力波在层间的多次透反射效应从而具有较好的阻尼耗能作用,其削波耗能性能比同厚度单层结构强,并以弹性波透反射理论所导出的公式为基础得出了当多层介质的排列呈现波阻抗强弱交替排列且强弱相差较大时其削波效果更好的结论;含空穴结构分配层由于空穴对波的反射、绕射和屏蔽效应,比普通结构具备更强的削波耗能特性。 4)带壳空穴结构削波耗能特性的研究及新型分配层的设计 利用LS-DYNA软件对无壳空穴结构和带壳空穴结构的削波耗能特性与抗压垮性能进行了对比研究,研究发现二者的削波耗能效果接近但后者有更好的抗压垮能力,故带壳空穴结构比无壳含空穴结构具备更好的防护性能。对含不同几何参数和配置的带壳空穴结构的分配层的削波性能进行了系列的数值计算研究,得出了若干有工程指导意义的规律性结论,如:对单层多个水平配置的带壳空穴结构分配层,其后方的应力时程曲线呈“驼峰状”,其各次应力峰值随空穴间距的减小而减小,但当其外表面间距减小至其半径的一半时其各次峰值应力的最大值将不再有明显的减小,故从分配层结构同时具有较好的抗压垮性能考虑,此种间距可认为是一种“最佳间距”;对双层多个水平配置的带壳空穴结构分配层,其后方的应力时程曲线也呈“驼峰状”,其各次应力峰值随空穴层的层间距的减小而减小,但当其层间距减小到某一定值时其应力峰值将不再随层间距的减小而明显的减小,故从综合考虑分配层的削波耗能效果和抗压垮性能出发,可取此种间距为其“最佳层间距”,研究同时发现,空穴的双层错位结构比双层对齐结构的削波耗能效果更好。以所得出的系列研究结果为基础,提出了具有较好防护性能的新型组装式含空壳复合分配层结构的建议形式。