彈道明膠的沖擊與侵徹動力學研究.pdf

1、沖擊與侵徹是涉及到侵徹阻力、瞬態(tài)打開空腔，高速加載下材料的力學響應和沖擊波的傳播等多方面的復雜的力學問題，在航空、航天、汽車工程、防護工程、國防工程、創(chuàng)傷力學和生物醫(yī)學等領域都有重要的應用。本課題研究明膠的沖擊與侵徹動力學問題，為創(chuàng)傷力學和生物醫(yī)學等領域涉及到的輕武器殺傷機理和殺傷效能問題提供重要的理論基礎。
　　近三十年來，明膠是廣泛用于建立沖擊與侵徹的物理、仿真或者理論分析模型的生物組織替代物。4℃下10wt％的明膠水凝膠是一

2、種替代肌肉的標準靶標。明膠可以承受彈性大變形，且具有粘彈性，失效方式為彈性一破裂，幾乎沒有塑性。本文對4℃下10wt％的明膠開展了基礎性的壓縮、剪切流變實驗，獲得一系列線性、非線性粘彈性參數(shù)和破裂特性，并根據(jù)沖擊與侵徹不同問題的需要，建立相應的力學模型。
　　由于球形破片是最簡單的沖擊物，本文首先分析大量的不同尺寸的鋼球、鎢球等球形破片侵徹明膠的彈道實驗數(shù)據(jù)，將侵徹問題理解為侵徹物在目標中打開空腔的過程。依據(jù)能量守恒原理建立了球形

3、破片侵徹明膠時統(tǒng)一的阻力模型和侵徹空腔運動模型;獲得并分析了打開單位體積二維柱形空腔所需能量這一關鍵參數(shù);實驗結果表明，這一參數(shù)具有應變率相關性，通過選擇合適的應變率，可以用線性函數(shù)描述二者的關系。由于“打開空腔”這一物理概念在侵徹問題中的重要性，本文進一步建立了適于用Mooney-Rivlin本構模型來描述的明膠等彈性大變形材料中的空腔膨脹模型。獲得了明膠中打開單位體積球形和柱形空腔所需的能量這一關鍵參數(shù);比較了球形空腔和柱形空腔的區(qū)

4、別;分析了目標為有限尺度時對該參數(shù)的影響;最后考慮動態(tài)膨脹時的明膠動能，構成一個完整的動態(tài)模型。用這種空腔膨脹模型成功解釋了明膠彈道實驗中侵徹空腔的結果。
　　在有防彈衣保護以及彈體不能穿透防彈衣的鈍擊情況下，產(chǎn)生的沖擊波效應也會對目標造成傷害。本文通過流變實驗深入研究明膠的線性粘彈性本構模型，通過蠕變加載一震蕩實驗獲得明膠在小應變、高速率下的粘彈性參數(shù)。將軟質防彈衣條件下槍彈鈍擊的邊界條件簡化為（半）球形凹坑的膨脹過程，其膨脹速

5、度通過實驗獲得;由特征線數(shù)值解法得到明膠中的粘彈性球面沖擊波的傳播規(guī)律。并用彈道實驗中壓力波峰值的大小、以及峰值隨傳播距離的衰減規(guī)律來驗證球面粘彈性沖擊波模型的可靠性。
　　當槍彈侵徹明膠時，由于彈頭的不穩(wěn)定性，會在明膠中出現(xiàn)翻滾運動，稱為攻角運動。本文綜合已有的半經(jīng)驗物理模型，建立了一個考慮質心直線運動和彈體繞質心的攻角運動的二自由度的簡化模型。依據(jù)不同型號槍彈侵徹明膠的彈道實驗，通過合理處理實驗數(shù)據(jù)，擬合得到模型中的阻力系數(shù)和