計(jì)及靶體宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響的低速侵徹響應(yīng)——實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值分析.pdf

1、簡化彈/層狀靶體的侵徹問題是彈與靶相互作用的瞬態(tài)接觸問題，涉及應(yīng)力波的傳播、彈靶的變形、損傷和破壞及其演化的相互耦合，有限元數(shù)值分析方法是侵徹分析的重要工具之一。但現(xiàn)有的有限元分析中缺乏較完整的混凝土宏細(xì)觀數(shù)值本構(gòu)模型以及宏細(xì)觀失效準(zhǔn)則，缺乏高效的計(jì)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的建模方法。本文提出了計(jì)及靶體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的高效率建模方法和較完整的混凝土的宏細(xì)觀數(shù)值本構(gòu)模型以及宏細(xì)觀失效準(zhǔn)則;同時(shí)基于單點(diǎn)積分的非線性顯式有限元LS-DYNA軟件構(gòu)建有限元

2、數(shù)值分析平臺，研究了簡化彈低速侵徹層狀靶體的彈靶動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。本文獲得了以下的主要研究成果。
　　 采用應(yīng)變、加速度測試技術(shù)并結(jié)合高速攝影技術(shù)，建立了彈、混凝土靶侵徹過程中靶體動力學(xué)響應(yīng)的測試系統(tǒng)，并應(yīng)用于簡化彈低速分別正侵徹單層混凝土靶和土體，以及斜侵徹層狀靶體的試驗(yàn)中，獲得了低速侵徹過程中靶體的響應(yīng)規(guī)律。單層混凝土正侵徹試驗(yàn)的測試結(jié)果表明，簡化彈碰撞單層混凝土靶后，著靶面的變形特征是徑向受壓和環(huán)向受拉;受出靶面自由邊界的影

3、響，在反射拉伸應(yīng)力波的作用下出靶面混凝土發(fā)生飛濺、開裂和崩落;在撞擊下單層混凝土靶體的動力學(xué)響應(yīng)主要分三個(gè)階段，初期主要是應(yīng)力波的傳播，中期是應(yīng)力波和結(jié)構(gòu)振動效應(yīng)的耦合作用，后期主要是結(jié)構(gòu)的振動。單層土體受球形彈侵徹后，土體的破壞特征為著靶面出現(xiàn)漏斗坑、土體內(nèi)部形成直線通道，其漏斗坑直徑、開坑深度及侵深隨球形彈侵徹速度的增加而增加。層狀靶體受截錐形簡化彈斜侵徹后，面層內(nèi)的徑向和軸向加速度脈沖經(jīng)歷多次振蕩后迅速衰減;靶體面層表面形成類似橢

4、圓的破壞區(qū)域、內(nèi)部形成類似喇叭口的破壞模式，基層、壓實(shí)層和天然地基層內(nèi)形成直線通道。
　　 依據(jù)混凝土三軸試驗(yàn)的結(jié)果分析，提出了較完整的混凝土宏觀本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則，同時(shí)基于靶體侵徹響應(yīng)測試結(jié)果，確定了混凝土和土的相關(guān)參數(shù);在此基礎(chǔ)上建立了簡化彈正侵徹土體、單層混凝土和斜侵徹層狀靶體的有限元分析模型，并分別進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分別對相應(yīng)的模型進(jìn)行了考評，結(jié)果表明該有限元分析模型是有效的和比較可靠的。在此基礎(chǔ)上較系統(tǒng)地研

5、究了簡化彈低速侵徹層狀靶體的響應(yīng)，考察了簡化彈著速、傾角、攻角和層狀靶體的基層強(qiáng)度對彈體偏轉(zhuǎn)角、加速度和速度等侵徹響應(yīng)的影響，揭示了以下新的相關(guān)規(guī)律。彈體在侵徹層狀靶體過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)出現(xiàn)在壓實(shí)層和天然地基層中;在不同著速、傾角和攻角情況下，碰撞后的彈體速度和加速度響應(yīng)與每層厚度和強(qiáng)度密切相關(guān)，其中加速度-時(shí)間曲線均呈臺階式下降;揭示了引信位置或起爆時(shí)間與彈體傾角、著速和攻角的權(quán)重排序關(guān)系，即定深引信的排序依次為彈體入射的傾角、

6、著速和攻角，而延時(shí)引信的排序依次為彈體的著速、傾角和攻角。
　　 在級配“數(shù)值混凝土”的建模過程中，首先提出了空間離散占位法，實(shí)現(xiàn)了高容積率大量骨料的高效率投放，利用Patran中的PCL編制了數(shù)值混凝土的離散程序，實(shí)現(xiàn)了大尺寸數(shù)值混凝土的網(wǎng)格離散，采用可失效的接觸算法模擬了骨料和砂漿的過渡帶，建立了包含骨料和砂漿的兩相數(shù)值混凝土模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，結(jié)合混凝土材料試驗(yàn)對該模型進(jìn)行了考評。在此基礎(chǔ)上研究了隨機(jī)分布的骨料對簡化

7、彈侵徹響應(yīng)的影響，初步揭示了相關(guān)規(guī)律。相對于均質(zhì)化混凝土模型，隨機(jī)分布的骨料對彈體的侵徹姿態(tài)有明顯影響;在同一著靶點(diǎn)，彈體著速對不同彈徑下彈體偏轉(zhuǎn)角的影響規(guī)律相近，出現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)角的速度均在385m/s附近;在相同的著速下，隨著彈徑的增加，偏轉(zhuǎn)角逐漸減小;同一彈從不同的著靶點(diǎn)侵入后，在靶中經(jīng)歷的侵徹路徑不同，骨料對彈體的作用也不盡相同，于是對彈體偏轉(zhuǎn)角的影響規(guī)律也出現(xiàn)差異，如:出現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)的著速不同;即使在相同的著速下，彈體偏轉(zhuǎn)角也不