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长杆弹侵彻有限直径金属厚靶的理论与数值分析

王娟  
【摘要】:近年来局部冲突和恐怖袭击的频繁出现,对建筑结构形成巨大威胁,促使高速撞击动力学成为爆炸力学中最活跃的研究领域之一。本文针对撞击问题中的有限直径金属厚靶问题,通过理论分析和数值模拟,考虑金属厚靶侧面自由边界的影响,将其划分为中低速刚性弹侵彻问题和较高速长杆弹侵彻问题两个方面,获得理论侵深预测模型、完整的材料变形过程和一系列物理量的变化情况及规律。主要的研究内容和创新成果包括以下几个方面:(1)采用统一强度理论,考虑中间主应力和靶体侧面自由边界的影响,得到两种本构关系靶材在弹塑性阶段和塑性阶段的空腔壁径向应力,求出适用范围更广、精确度更高的中低速(500m/s~1000m/s)卵形刚性弹在侵彻有限直径金属厚靶时侵彻阻力、侵彻深度计算公式,得到不同撞击速度下拉压强度相等的各类靶材侵彻深度的区间。将卵形弹侵深公式扩展至锥形弹和球形弹,研究弹头形状对侵彻性能的影响。采用Simpson方法对所得公式求解,讨论侵彻深度与强度参数、弹体撞击速度以及靶体半径的关系,得到不同于半无限大靶体侵彻性能的结论。(2)建立基于统一强度理论的有限柱形空腔膨胀模型,考虑弹体在高速侵彻过程中会发生消蚀,对较高速(1000m/s~2000m/s)长杆弹侵彻有限直径金属厚靶问题进行研究,得到考虑中间主应力的理想弹塑性材料靶体在弹体高速侵彻时产生的阻力和理论侵深计算模型,与弹道试验进行对比验证,并将所得计算模型扩展至线性硬化材料。对各种靶弹半径比下此类靶材在高速长杆弹侵彻下的侵深区间进行预测,客观充分的发挥了靶体材料的抗侵彻强度潜能。利用MATLAB软件编制程序进行求解,分析影响高速长杆弹侵彻有限直径金属厚靶终点效应的参数。(3)利用显式动力学程序ANSYS/LS-DYNA程序,针对材料特点选用不同本构模型建立卵形刚性钢弹侵彻有限直径铝合金厚靶和高速钨制长杆弹侵彻有限直径钢厚靶数值模型。计算刚性弹侵彻深度、速度、减加速度的完整时程曲线,揭示侵彻行为的变化规律;分析各种工况下靶体自由边界对抗侵彻性能的影响程度,将忽略靶体侧面自由边界影响的条件精确至具体值;从弹体侵彻深度、目标的毁伤效果角度讨论弹体的初速度及长细比对侵彻性能的影响。对不同打击速度下侵蚀长杆弹侵彻问题进行计算,得到靶体压力、侵彻深度、弹头和弹尾速度、弹体长度,以及弹体质量等随时间的变化规律,分析弹体开坑特点和产生消蚀现象的弹靶响应过程;研究长杆弹弹头形状对低速侵彻和高速侵彻所产生的不同影响。讨论过渡区变形非消蚀长杆弹的变形特点、时程变化和弹体在减速过程中的状态变化。(4)建立弹体入射倾角从0°~70°的一系列斜侵彻模型进行仿真计算,得到侵彻轨迹、侵彻深度、弹体速度、减加速度,以及侵彻过程中轨迹角等物理量的变化曲线,结合斜侵彻弹靶响应分析,探讨了不同范围入射倾角和靶弹半径比对斜侵彻性能的影响规律;在斜侵彻模型的基础上,对13组不同正、负攻角的情况进行计算,分析攻角对靶体的毁伤影响,研究了有攻角斜侵彻过程中弹体的偏转、弹道形状的改变,以及攻角对弹体侵彻性能的影响规律。


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