動(dòng)能彈在不同材料靶體中的侵徹行為研究.pdf

1、本文將解析法和數(shù)值模擬相結(jié)合，系統(tǒng)地給出了預(yù)測動(dòng)能彈丸侵徹和貫穿不同靶板的方法。該方法能夠比較準(zhǔn)確的模擬出彈體侵徹和貫穿各種不同材料靶體和多層靶之后的運(yùn)動(dòng)和變形情況，而且這種方法計(jì)算簡便快捷，可以用于彈體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以用來進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評估。采用的基本思想是將彈和靶分開來研究，用侵徹過程中靶體的響應(yīng)力函數(shù)來代替靶體對彈的作用。這樣在建立有限元數(shù)值模型時(shí)可以直接將靶體響應(yīng)力函數(shù)作為邊界條件加到彈體表面，從而省略

2、靶體網(wǎng)格的劃分，也不需要復(fù)雜的接觸算式，大大節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。因此本文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面系統(tǒng)地研究了確定靶體響應(yīng)力函數(shù)的方法。靶體響應(yīng)力函數(shù)的確定方法主要包括經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗(yàn)方法中重點(diǎn)介紹了Forrestal半經(jīng)驗(yàn)公式并改進(jìn)了Wen半經(jīng)驗(yàn)公式；理論方法詳細(xì)介紹了空穴膨脹近似理論，并將剪脹效應(yīng)引入空穴膨脹理論，認(rèn)為空穴膨脹時(shí)破碎區(qū)不僅可以是壓縮的，也有可能是膨脹的，并給出了求解過程；采用有限元方法模擬了

3、不同本構(gòu)材料中的球形和柱形空穴膨脹過程，得到了空穴表面徑向應(yīng)力的大小。最后指出了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。 在靶體響應(yīng)力函數(shù)的基礎(chǔ)上給出了求解侵徹和貫穿問題的理論解法。將改進(jìn)后的Wen半經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板的侵徹和貫穿問題，確定了動(dòng)阻力系數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性；用考慮剪脹效應(yīng)的空穴膨脹模型計(jì)算了混凝土靶體中的侵徹深度和殘余速度，所得結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好；最后利用彈頭表面磨蝕速度的經(jīng)驗(yàn)公式，編

4、制了用于計(jì)算彈頭磨蝕后形狀的簡單差分程序，并與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合的較好。 用彈靶分離的方法模擬了彈丸垂直侵徹金屬和脆性材料的過程，模擬采用ABAQUS/Explicit顯示動(dòng)態(tài)有限元軟件。結(jié)果表明偏航角對侵徹過程的影響非常大，偏航角越大彈尾的擺動(dòng)就越劇烈，從而導(dǎo)致整個(gè)侵徹深度降低，也容易使彈尾處發(fā)生斷裂。因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)盡可能減小彈丸入射時(shí)的偏航角。此外通過模擬可以得到不同時(shí)刻應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，從而找出彈

5、體的薄弱部位，這對侵徹武器設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。 對彈丸斜侵徹和貫穿有限厚度靶體的過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，考慮了自由表面效應(yīng)的影響。對卵形彈采用了Warren的基于有限球形空穴膨脹的自由表面修正函數(shù)；對于錐頭彈，推導(dǎo)了基于有限柱形空穴膨脹的自由表面修正函數(shù)。模擬結(jié)果表明：在斜侵徹時(shí)，當(dāng)傾斜角比較大時(shí)，自由表面效應(yīng)對整個(gè)侵徹過程有著很大的影響。當(dāng)傾斜角度比較小時(shí)，自由表面效應(yīng)對侵徹過程的影響很小。此外，錐頭彈受靶體自由表面的影

6、響一般要大于卵形彈，但是當(dāng)錐頭彈垂直侵徹有限厚度靶體時(shí)，由于材料擴(kuò)展方向與靶體自由表面平行，彈體的運(yùn)動(dòng)將不受靶體自由表面影響。 推導(dǎo)出了多層介質(zhì)中的空穴膨脹模型，并構(gòu)造了修正函數(shù)，然后通過兩個(gè)算例模擬了彈體在分層介質(zhì)中的侵徹過程。通過模擬結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)考慮分層介質(zhì)影響后的加速度曲線會(huì)使加速度的峰值降低，也使各層介質(zhì)之間的過渡曲線更為圓滑。此外彈體侵徹分層介質(zhì)時(shí)，對于比較厚的介質(zhì)層，其加速度可以從濾波后的曲線中很容易分辨出來，而對于