動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)測動能彈丸侵徹和貫穿不同靶板的方法。該方法能夠比較準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動和變形情況，而且這種方法計算簡便快捷，可以用于彈體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計，也可以用來進行防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評估。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)省了運算時間。因此本文主要內(nèi)容包括以下幾個方面系統(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)驗和半經(jīng)驗公式法、理論分析法和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗方法中重點介紹了Forrestal半經(jīng)驗公式并改進了Wen半經(jīng)驗公式；理論方法詳細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，認為空穴膨脹時破碎區(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。將改進后的Wen半經(jīng)驗公式應(yīng)用到纖維增強復(fù)合材料層壓板的侵徹和貫穿問題，確定了動阻力系數(shù)，并通過實驗驗證了模型的正確性；用考慮剪脹效應(yīng)的空穴膨脹模型計算了混凝土靶體中的侵徹深度和殘余速度，所得結(jié)果與文獻中的實驗數(shù)據(jù)吻合得很好；最后利用彈頭表面磨蝕速度的經(jīng)驗公式，編

4、制了用于計算彈頭磨蝕后形狀的簡單差分程序，并與文獻中的實驗結(jié)果進行了比較，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就越劇烈，從而導(dǎo)致整個侵徹深度降低，也容易使彈尾處發(fā)生斷裂。因此在實際應(yīng)用中應(yīng)當盡可能減小彈丸入射時的偏航角。此外通過模擬可以得到不同時刻應(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，當傾斜角比較大時，自由表面效應(yīng)對整個侵徹過程有著很大的影響。當傾斜角度比較小時，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，但是當錐頭彈垂直侵徹有限厚度靶體時，由于材料擴展方向與靶體自由表面平行，彈體的運動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，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