头部刻槽弹体对混凝土靶侵彻机理研究

摘要

动能侵彻战斗部是打击加固和深层防御工事的有效手段，借助于其自身初始动能侵入目标内部，依靠自身较小阻力结构外形达到预期的侵彻深度，同时利用弹体内部的高能炸药对目标进行毁伤。为了满足理想的侵彻性能要求，动能弹的结构外形设计及其对混凝土靶的侵彻深度研究尤为重要。头部刻槽弹体是一种新型结构，通过弹体头部刻槽，实现动能弹非圆截面头部结构，借助于这种头部结构与混凝土类靶体间的相互作用，达到提高侵彻深度的目的。头部刻槽弹体侵彻性能的研究还处于探索阶段，缺乏相关的研究成果。本文采用理论分析、试验研究和数值模拟三者相结合的方法研究典型头部刻槽弹体侵彻混凝土靶问题，探究头部刻槽弹体侵彻机理，确定头部刻槽弹体结构参数对侵彻性能影响规律，主要研究内容和结论如下: (1)头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶体局部相互作用模型 基于局部相互作用理论思想，结合柱坐标下的任意头部形状弹体外轮廓表示方法，发展完善了任意头部形状弹体侵彻混凝土靶两阶段的局部相互作用模型。基于尖卵形弹体结构，提出了头部U形对称刻槽弹体及头部L形非对称刻槽弹体设计方法并定义了极坐标下头部刻槽弹体几何结构数学表征。结合局部相互作用理论，推导得到了头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶的侵彻深度计算模型。在局部相互作用模型理论体系下对比分析头部U形对称刻槽弹体及头部L形非对称刻槽弹体两类头部刻槽弹体的头部锐化提高侵彻深度的作用。研究结果表明，头部刻槽弹体具有较好的侵彻能力;头部U形对称刻槽弹体锐化作用较大，其相对头部L形非对称刻槽弹体侵彻深度提高更为显著。 (2)头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶体的弹靶分离数值模拟 通过弹靶分离方法框架，建立弹体有限元模型并编写靶体响应力子程序，进而开展了头部U形对称刻槽弹体和头部L形非对称刻槽弹体垂直侵彻混凝土靶过程系列数值模拟研究。获取了头部刻槽弹体侵彻过程的侵彻深度和侵彻速度时程曲线，得到了头部L形非对称刻槽弹体侵彻自旋过程角度及角速度时程关系。对比分析了头部对称刻槽弹体与尖卵形弹体侵彻深度时程变化，研究了头部刻槽弹体侵彻过程规律。数值模拟结果表明，头部刻槽弹体相对尖卵形弹体具有较好的侵彻能力，头部L形刻槽弹体的头部非对称结构能够引起弹体自旋效应。 (3)头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶试验研究 基于Φ14.5mm弹道枪和Φ30mm弹道炮平台，开展了头部U形对称刻槽弹体、头部L形非对称刻槽弹体及尖卵形弹体垂直侵彻混凝土靶对比试验。通过高速摄影及试验后剖测靶体并回收弹体获取了弹体侵彻深度、靶体破坏形式、侵彻孔道形状、弹体表面材料附着情况以及头部L形非对称刻槽弹体侵彻自旋角度等试验数据。基于侵彻深度试验结果，分析了弹体头部刻槽结构相对尖卵形弹体在提高侵彻深度上的优势。同时，对比分析试验侵彻深度数据和局部相互作用模型理论计算结果，探究头部刻槽弹体侵彻机理。研究结果表明，头部刻槽弹体的侵彻深度与其头部结构尺寸密切相关;头部L形非对称刻槽弹体侵彻过程产生明显自旋;头部刻槽弹体侵彻破坏靶体模式能够有效降低靶体阻力，提高弹体侵彻深度。 (4)考虑尖楔劈裂效应的靶体响应力研究 以靶体宏观破坏特征为基础，区分了头部U形对称刻槽弹体侵彻阶段，基于碟状侵彻体嵌入靶体的尖楔劈裂模型，结合头部U形对称刻槽弹体结构，推导了弹体U形槽区域靶体响应力分布函数，进而提出靶体响应力函数表达式，最终给出了头部U形对称刻槽弹体的侵彻过程计算模型。分析讨论了头部U形对称刻槽弹体结构特征参量改变对侵彻深度的影响。研究结果表明:基于考虑尖楔劈裂效应的侵彻模型能够较好的预测头部U形对称刻槽弹体侵彻深度;头部U形对称刻槽弹体侵彻深度提高因素由弹体头部锐化效果和尖楔劈裂弱化靶体共同影响，尖楔劈裂弱化靶体效应是主要因素。 (5)考虑切向剪切效应空腔膨胀理论靶体响应力研究 利用有限元软件ANSYS/AUTODYN开展了轴向压缩和切向剪切联合作用下的空腔膨胀作用过程研究，分析了不同径向膨胀速度与旋转角速度比值下的空腔壁面径向应力变化规律。在一维准静态柱形空腔膨胀模型基础上，引入剪切项发展完善了二维准静态柱形空腔膨胀理论模型，推导了空腔膨胀径向应力随空腔膨胀过程中空腔半径间的关系式，进而提出了剪切效应弱化靶体响应力的无量纲因子。分析了切向速度与径向速度比例、单轴压缩屈服强度对混凝土空腔膨胀内腔壁面径向应力的影响规律。在局部相互作用模型基础上，建立了考虑切向剪切效应的靶体响应力的头部L形非对称刻槽弹体侵彻模型，并讨论了头部L形非对称刻槽弹体的头部结构特征参量对侵彻深度及侵彻自旋角度的影响。研究结果表明，基于考虑剪切效应的侵彻深度计算模型能够较好的预测头部L形非对称刻槽弹体的侵彻深度及侵彻自旋角度。头部L形非对称刻槽弹体侵彻过程前期减阻主导因素为弹体头部锐化作用，侵彻中后段弹体减阻主导因素为弹体自旋效应剪切靶体引起的材料强度弱化。

目录

声明

摘要

符号说明

图表目录

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状及发展趋势

1．2．1动能弹侵彻混凝土靶问题研究现状

1．2．2新型结构动能弹优化设计及其侵彻问题研究现状

1．2．3新结构弹体侵彻效应研究不足

1．3本文研究的目的、手段和主要内容

2头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶的局部相互作用模型

2．1引言

2．2侵彻问题的局部相互作用理论

2．3任意头部形状弹体侵彻半无限厚混凝土靶的局部相互作用模型

2．3．1弹体侵彻半无限厚混凝土靶过程分析及基本假设

2．3．2任意头部形状弹体侵彻半无限厚混凝土靶深度的局部相互作用模型

2．3．3理论计算结果验证

2．4头部刻槽弹体结构几何表征

2．4．1头部U形对称刻槽弹体结构表征

2．4．2头部L形非对称刻槽弹体结构表征

2．5头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶深度局部相互作用模型

2．5．1头部U形对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶侵彻深度模型

2．5．2头部L形非对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶侵彻深度模型

2．6计算结果与分析

2．7本章小结

3头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶的弹靶分离数值模拟

3．1引言

3．2弹靶分离数值模拟方法简介

3．3头部刻槽弹体侵彻模型的建立

3．3．1有限元模型

3．3．2材料模型及参数

3．3．3初始边界条件

3．4头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶数值模拟

3．4．1弹靶分离数值模拟结果验证

3．4．2头部U形对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶过程分析

3．4．3头部L形非对称刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶过程分析

3．5本章小结

4头部刻槽弹体侵彻半无限厚混凝土靶试验研究

4．1引言

4．2头部刻槽弹体侵彻试验方案设计

4．3试验弹体设计

4．4试验靶体

4．5侵彻试验结果

4．5．1试验结果

4．5．2弹体外弹道飞行稳定性

4．5．3回收弹体情况

4．5．4侵彻后靶体宏观破坏情况

4．6侵彻试验结果分析与讨论

4．6．1侵彻深度

4．6．2头部非对称刻槽弹体侵彻自旋效应

4．6．3弹体侵彻深度理论计算与试验结果对比

4．7本章小结

5考虑尖楔劈裂效应的靶体响应力研究

5．1引言

5．2头部U形对称刻槽弹体侵彻2A12铝靶试验

5．2．1试验靶体

5．2．2试验结果与分析

5．2．3靶体宏观破坏情况

5．3尖楔嵌入侵彻模型

5．4基于尖楔嵌入侵彻模型的靶体响应力分析

5．5头部U形对称刻槽弹体侵彻过程差分计算模型

5．6计算结果与分析

5．6．1考虑尖楔劈裂效应的靶体响应力函数试验验证

5．6．2头部U形对称刻槽弹体侵彻过程分析

5．6．3头部U形对称刻槽弹体侵彻深度影响因素分析

5．7本章小结

6考虑切向剪切效应的空腔膨胀理论靶体响应力研究

6．1引言

6．2考虑切向剪切效应的空腔膨胀模型数值模拟研究

6．2．1数值模拟模型

6．2．2考虑剪切效应的空腔膨胀模型数值模拟结果

6．3考虑切向剪切效应的准静态柱形空腔膨胀模型研究

6．3．1准静态柱形空腔膨胀模型响应分析

6．3．2空腔膨胀响应区分析

6．3．3考虑切向剪切效应的准静态空腔膨胀靶体响应力函数求解

6．4考虑切向剪切效应的准静态空腔膨胀模型靶体响应力影响因素分析

6．4．1切向速度ω与径向速度V比例K对空腔靶体响应力的影响

6．4．2单轴压缩屈服强度Y对空腔靶体响应力的影响

6．5头部L形非对称刻槽弹体侵彻过程差分计算模型

6．6计算结果与分析

6．6．1考虑切向剪切效应的靶体响应力函数试验验证

6．6．2头部L形非对称刻槽弹体侵彻过程分析

6．6．3头部L形非对称刻槽弹体侵彻深度影响因素分析

6．7本章小结

7结束语

7．1研究工作总结

7．2本文的创新点

7．3今后研究的发展方向

致谢

参考文献

附录