刚性侵彻模式下混凝土材料侵彻特性研究

摘要

钻地弹在战争中的成功运用以及混凝土材料在民用和军用方面的普遍性,促使混凝土侵彻力学成为终点弹道学一支独立的分支,变为当今研究的焦点。围绕这一背景,采用数值模拟分析方法、半经验半理论方法以及经验方法,对当前刚性侵彻模式下混凝土侵彻力学存在的问题进行了深入系统地研究。
　　针对混凝土动态抗压强度的应变率效应真伪问题,采用数值模拟分析方法,利用静水压强相关应变率无关模型-线性分段D-P模型,基于单轴落锤加载方式的分析结果,讨论研究了混凝土动态抗压强度的应变率效应。分析结果进一步验证了学者李庆明的观点:混凝土动态抗压强度的应变率效应并非混凝土材料本身特有的属性,而是由于在加载过程中产生的侧面围压效应间接地促使混凝土抗压强度的增加。同时发现,混凝土动态抗压强度应变率效应的两阶段增长趋势分别由端面摩擦效应和侧面惯性效应主导。
　　为进一步分析研究混凝土材料动态抗压强度的应变率效应问题,采用相同的材料模型,对典型穿透实验和侵彻实验进行了数值模拟分析。并结合另一种混凝土应变率相关模型-RHT模型的模拟结果,对两种模型的模拟结果进行了比较讨论,最终又一次表明:混凝土动态抗压强度应变率效应不属于混凝土本身的特性。
　　采用半理论半经验方法,对刚性侵彻模式下,侵彻过程中隧道稳定侵彻阶段弹体过载特性进行分析研究。以动态空腔膨胀理论为基础,对混凝土侵彻过程进行了相对细致的分析,把侵彻分为“挤推”侵彻和动态空腔膨胀侵彻两个区域:在某一临界撞击速度以下,空腔膨胀速度相对比较低,空腔膨胀半径始终小于弹体直径。弹体与靶体之间的摩擦与弹体侵彻速度相互补偿,促使弹体过载出现恒值现象。此速度范围称之为“挤推”侵彻区域;当撞击速度高于临界速度时,侵彻进入空腔膨胀区域。在此区域,空腔膨胀速度变大,开始占据主导地位。过载出现峰值现象,并随着撞击速度的升高而升高,摩擦现象消失。基于此侵彻思想,采用半经验半理论方法,建立了能够描述过载特性和侵彻深度的半经验公式。通过与实验的讨论比较,侵彻分析思想以及半经验公式得到验证。
　　针对穿透过程的冲塞阶段,采用半理论半经验方法,基于侵彻过程的分析结果,利用Nielsen冲切理论,对冲塞阶段进行了分析研究,得到了能够相对准确的预测弹道极限和冲塞厚度的半经验公式。并进一步对穿透工况的剩余速度进行了讨论分析,同样建立了能够描述剩余速度的半经验公式。最后,利用典型的穿透实验对弹道极限、冲塞厚度以及剩余速度半经验公式进行了讨论验证。
　　基于侵彻过程和穿透过程的分析结果,从穿透类型的角度,分析讨论了双层间隙靶与单层靶的抗侵彻性能的优劣,得到如下结论:对于双层间隙结构,无论是等厚度双层靶,还是不等厚度双层靶,其弹道极限都小于与之对应的单层靶的弹道极限。
　　最后,参照典型侵彻实验,从弹体质量损失的角度,对刚性侵彻模式和半流体动力学侵彻模式之间的过渡区域进行了分析讨论。分析结果表明在过渡阶段弹体质量变化很小,弹头形状接近半球形。基于此特征,建立了刚性侵彻模式上限的工程模型,并分析讨论了骨料硬度、靶体抗压强度、弹体材料强度和弹体直径对刚性侵彻模式上限的影响。
　　综上，本文的研究主要涉及到刚性侵彻模式下存在的五个密切相关的问题:混凝土材料的动态抗压强度应变率效应真伪问题;侵彻过程中弹体过载恒值现象问题;冲塞机理问题;双层间隙靶抗侵彻性能问题;刚性侵彻模式上限问题。分析结论进一步完善了混凝土侵彻力学,一定程度上为先进钻地武器的研制以及防护工程的设计提供了有力地参考价值和理论指导。

目录

刚性侵彻模式下混凝土材料侵彻特性研究

PENETRATION PROPERTIES STUDIES OF CONCRETE-LIKE MATERIALS UNDER RIGID PENETRATION MODE

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 课题研究领域概述

1.3 混凝土材料抗压强度应变率敏感性研究进展

1.4 刚性侵彻模式下混凝土侵彻力学研究进展

1.5 本文主要研究内容

第2章 混凝土动态抗压特性研究

2.1 引言

2.2 数值分析方法

2.3 数值仿真验证

2.4 抗压强度应变率相关性分析

2.5 抗压强度应变率发展趋势分析

2.6 应变率对损伤发展的影响分析

2.7 本章小结

第3章 混凝土抗压特性的进一步分析以及

过载问题的引出

第4章 刚性侵彻模式下混凝土材料侵彻

过程分析研究

第5章 刚性侵彻模式下混凝土材料

穿透过程分析

第6章 双层间隙靶与单层靶抗侵彻性能的比较分析

6.1 引言

6.2 分析方法描述

6.3 等厚度双层靶与单层靶的弹道极限比较分析

6.4 不等厚度双层靶与单层靶的弹道极限比较分析

6.5 本章小结

第7章 刚性侵彻模式上限的讨论分析

7.1 引言

7.2 分析方法描述

7.3 短杆弹侵彻实验分析

7.4 基于弹体质量损失规律的过渡区域描述

7.5 刚性侵彻模式上限工程模型

7.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文、待发表的论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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