弹道材料冲击响应的若干问题研究

摘要

目前已研制成功的侵彻战斗部，绝大部分的靶标考核材料为混凝土，而现有重要军事工程多构建于岩体之中，依靠岩层提供主要防护能力。通常情况下，岩石与混凝土（密度和强度）差异较大，特别是致密坚硬岩石所形成的阻力远高于混凝土。在岩石侵彻过程中，弹体容易发生结构破坏，甚至不能有效侵入靶体，这意味着，使用混凝土为考核目标的战斗部在碰到高强度岩石目标时毁伤能力很可能不足。另外，研究人员对岩石的侵彻研究远远没有对混凝土介质的侵彻研究丰富和深入，而且国内外公布的试验数据中，岩石侵彻试验数据远少于混凝土数据。 为此，设计了具有相同的形状，但不同的外壳厚度的弹体结构，并进行了1000m/s左右速度下的侵彻混凝土和高强度岩石靶对比试验。试验结果表明:在该高着速条件下，对于混凝土靶体，弹体有效侵入靶体，试验后弹体表面发现磨蚀痕迹而没有明显大变形;对于岩石靶体，两种壳体厚度的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶，而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏。针对侵彻岩石靶的弹体断裂破坏，结合断口形貌，从材料和结构角度分别进行了分析，分析表明:材料失效和结构破坏两种因素的综合作用导致了弹体断裂，其中基于铰链结构假设和以动态塑性屈曲失效的形式产生的结构破坏可以很好的解释弹体花瓣型断裂模式破坏，是弹体破坏的主要原因。另外，根据实验结果，通过Autodyn建立数值模型，结合Mott随机分布进行混凝土和岩石侵彻数值模拟，揭示了岩石侵彻中的弹丸断裂机理，并表现出较高的可信度。还讨论了填充物和不同撞击条件对速度，攻角(AOA)和入射角对弹丸断裂模式的影响。同时，验证了混凝土侵彻中的弹体结构强度，并再现了弹体侵彻过程。采用的数值方法与试验相符，具有较高的可信度，为进一步研究高速侵彻时弹体的结构破坏和设计优化提供参考。 另外，目前的商业软件（比如Ls-dyna，Autoduyn）在冲击动力学模拟中以绝热模型来处理材料温升。但事实上，冲击动力学问题，特别是绝热剪切，通常会涉及局部塑性大变形，热量高度集中在局部位置（引起温升），温度的升高会影响材料性质，也必然会引起热量的扩散，即热传导，进而带来温度场的变化。另外，当固体的温度发生变化时，一旦受到约束便会形成“热应力”或“温变应力”，该受力状态限制了与温度变化对应的热变形的产生。显然，瞬态变温应力的形成也会改变影响材料的受力状态，这意味着瞬间温度场和应力场的变化均会对材料的整体性能带来影响，进而对整个冲击过程产生一定影响。 基于以上目的，本文系统地研究了有限元(Finite Element Method，简称FEM)和光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，简称SPH），在热弹性本构的基础上建立了包含温变应力的的冲击热力耦合材料本构，结合热传导，分别引入到FEM和SPH源代码，发展了相应的计及热力耦合的冲击动力学数值模型，并对典型的冲击剪切问题进行了热力耦合计算，分析了热传导和温变应力对计算产生的影响。计算结果表明热力耦合效应对冲击剪切数值计算结果有一定的影响:热传导对温度场和应力场的影响比较明显;而温变应力对温度场的影响相对较小，但对压力场的影响也明显，进而对最终的冲击过程影响也较为明显。可以预见的是，在温度更高、变形更剧烈和压力更高的物理场中，热力耦合更不可忽视。因此，在冲击数值计算中考虑热力耦合是十分必要的，而且会使得数值计算结果更加准确地反映物理事实。本文工作能为冲击动力学过程中热力耦合问题的研究提供参考。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2高速侵彻岩石混凝土的试验与理论研究动态

1．3冲击动力学数值方法的研究动态

1．3．1 冲击动力有限元学(FEM)的研究动态

1．3．2 无网格光滑流体动力学(SPH)的研究动态

1．4本文的研究内容及章节安排

1．4．1 本文的研究内容

1．4．2 本文的章节安排

2高速侵彻岩石和混凝土靶的试验研究及初步分析

2．1试验准备

2．1．1 弹体设计和试验方案

2．1．2 弹体和靶体材料

2．2岩石侵彻试验结果

2．3混凝土侵彻试验结果

2．4弹体破坏分析

2．4．1 材料破坏分析

2．4．2 结构破坏分析

2．5本章小结

3高速侵彻岩石和混凝土靶的数值模拟研究

3．1材料本构及参数

3．1．1 金属材料参数

3．1．2 岩石和混凝土材料

3．1．3 填充物质(硫磺)

3．2岩石侵彻模拟结果及分析

3．2．1 离散模型

3．2．2 壳体失效的机理分析

3．2．3 装填物对弹体破坏的影响

3．2．4 入射条件对弹体破坏的影响

3．3混凝土侵彻模拟结果分析

3．3．1 三维模型壳体强度分析

3．3．2 二维侵彻能力分析

3．4本章小结

4二维热力耦合FEM对钨合金试件的冲击剪切分析

4．1热力耦合动力学基本方程及有限元离散

4．1．1 基本方程

4．1．2 热力耦合动力学有限元计算理论

4．2有限元热传导理论

4．2．1 有限元轴对称热传导基本方程及变分

4．2．2 三角形单元的分析

4．2．3 热传导程序的嵌入与完整计算流程

4．3冲击热力耦合材料本构

4．3．1热力耦合材料本构

4．3．2 应力更新

4．4梯形试件绝热剪切分析

4．4．1 计算模型

4．4．2 TMC-M和TA-M的计算结果分析

4．4．3 TMC-M的热传导系数影响

4．4．4 TMC-M的热胀系数影响

4．5本章小结

5二维热力耦合SPH对钢靶的冲塞剪切分析

5．1光滑粒子法的核心思想

5．2 核估计与粒子近似

5．2．1 核估计

5．2．2 核函数

5．2．3 粒子近似

5．3冲击动力学基本方程及SPH离散

5．4 SPH热传导基本理论及离散

5．5其他相关问题

5．5．1 人工粘性

5．5．2 光滑长度及粒子相互作用的对称性

5．5．3 粒子搜索

5．5．4 时间步长

5．5．5 材料的界面处理

5．5．6 热力耦合SPH计算流程

5．6平头弹对有限厚金属靶的冲塞剪切分析

5．6．1 模型和参数

5．6．2 计算结果验证

5．6．3 TMC-M与TA-M模型对比结果

5．7本章小结

6全文总结与展望

6．1工作总结

6．2本文创新

6．3未来展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文与成果