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动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究及其数值模拟

刘士践  
【摘要】: 高速弹丸对混凝土的冲击侵彻效应既是军事工程防护技术研究的前提,又是优化设计弹体形状及其物理几何参数的基础,因而已成为近十年来军事科学技术研究领域的一个热点问题。本文通过采用不同缩比尺寸的BLU-109B钻地模型弹侵彻混凝土的实验和数值模拟,分析研究冲击侵彻作用下混凝土的破坏效应及其影响因素,并结合大比尺模拟弹的侵彻实验结果验证分析结论的正确性,同时预估出原型弹的侵彻深度和弹坑半径。 采用直径为φ30mm的卵形模型弹对C80高强度混凝土进行垂直侵彻实验,研究315~800m/s不同弹速条件下混凝土的侵彻深度、侵彻半径及其破坏特征。实验结果表明:在靶体强度和弹体不变的情况下,靶体撞击后的崩落区直径、深度与弹丸的侵彻初速度有关;侵彻深度随弹丸撞击速度的增加而增加;随着弹丸着靶速度增加,崩落区的面积也随之加大;成坑深度约为弹径的3~10倍,成坑直径达到弹径的10倍以上。选用H-J-C模型和Johnson-Cook模型分别作为混凝土材料和弹丸的本构模型,以直径为30mm卵形弹丸冲击侵彻混凝土的过程为研究对象,利用有限元分析软件LS-DYNA进行动能弹侵彻半无限厚混凝土靶的数值模拟。通过与实验结果的对比分析证明,本文选用和建立的本构模型、计算模型及其参数可对动能弹侵彻混凝土介质的破坏效应进行较为准确的模拟,其计算误差不超过5%。 在φ30mm模型弹实验的基础上又进行了φ100mm的大比尺模型弹侵彻实验,其侵彻深度和弹坑半径分别为83.5cm和102.5cm,达到了弹丸直径的8.4倍和10.3倍,表明小比尺模型弹侵彻实验结果与大比尺模型弹侵彻实验具有较好的一致性。此外,基于小比尺模型弹侵彻实验建立的数值模拟方法同样能对大比尺模型弹的侵彻效应进行有效模拟,其计算误差仅为3.6%,并模拟给出了BLU-109B钻地弹侵彻混凝土的深度为1.60m。


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