高速飞行离散杆动力学特性及对目标的侵彻效应

摘要

本文主要研究了高速飞行的离散杆对典型金属靶板的侵彻效应，探讨了离散杆空中飞行过程中杆的弹性变形和空气阻力效应，选取合理的毁伤模型和计算方法，应用大型非线性动力有限元分析软件LS-DYNA，对离散杆侵彻典型金属靶板的过程进行数值仿真研究。 运用空气动力学的知识，得到杆的各个空气动力系数的理论表达式，并利用等熵原理、附面层理论以及平面超音速绕流等相关理论，得到了中间系数的表达式，进而求出高速离散杆飞行时的阻力和阻力矩，从而为研究高速飞行离散杆的空中飞行状态奠定了空气动力学基础。 运用振动理论的相关知识，对离散杆空中飞行过程中杆的弹性变形进行研究，结果得出，弹性变形会使杆的空气阻力发生改变，进而对杆的运动过程产生影响；取45度斜杆为例，定量分析了杆飞行过程的弹性变形对运动的影响。计算结果表明，杆的弹性变形对运动的影响较小，在主要关心杆、靶侵彻的问题时，可以忽略杆的弹性变形。 通过对离散杆对金属靶板侵彻的仿真研究表明，高速飞行的细长杆可以从不同角度穿透靶板，形成不同程度的毁伤。侵彻过程呈现复杂的塑性应力波的传播方式，导致形成不规则的毁伤面和杆的复杂破碎状况。对各侵彻参数的研究可以看出，材料性能和空气阻力对侵彻效果影响较小，而初始速度、靶板厚度以及侵彻角度对侵彻效果的影响比较明显。而对毁伤效果的评估则需综合考虑杆的剩余动能、靶板的质量损失，破口面积和塑性变形区等多项因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1工程背景

1.2本文的研究内容

1.3研究现状

1.3.1离散杆空气阻力的研究现状

1.3.2离散杆弹性效应的研究现状

1.3.3离散杆侵彻效应的研究现状

2高速离散杆的空气阻力效应

2.1理论基础

2.1.1离散杆的外形及参数

2.1.2空气动力和空气动力矩

2.2空气动力系数的表达式

2.2.1轴向力系数Cx1

2.2.2法向力系数Cy1

2.2.3俯仰力矩系数mz1

2.2.4压力中心系数(-x)1p

2.2.5系数表达式

2.3中间系数的推导

2.3.1压强系数Cp的推导

2.3.2弹体摩阻系数Cxf的推导

2.3.3弹体底部阻力系数Cpd的推导

2.4问题的求解

2.4.1轴向力X1的表达式

2.4.2法向力Y1的表达式

2.4.3俯仰力矩Mz1的表达式

2.4.4压力中心x1p的表达式

2.5本章小结

3高速离散杆的弹性效应

3.1弹性杆动力学方程的建立

3.1.1基本假设

3.1.2弹性杆动力学方程的建立

3.1.3弹性变形时的空气阻力

3.2弹性杆动力学方程的简化

3.3弹性杆动力学方程的求解

3.3.1转动平面内杆纵向振动的求解

3.3.2转动平面内杆横向振动的求解

3.3.3平动平面内杆振动的求解

3.4仿真实例与结果分析

3.4.1有弹性变形时的空气阻力与运动轨迹

3.4.2弹性变形对运动的影响

3.4.3初始条件随时间的变化关系

3.5本章小结

4高速离散杆对钢板的侵彻效应

4.1相关知识介绍

4.1.1 LS-DYNA的分析流程图

4.1.2材料模型

4.2侵彻模型的建立

4.2.1杆、靶的性能参数

4.2.2几何模型

4.2.3有限元分析模型

4.3侵彻过程分析

4.3.1垂直侵彻过程分析

4.3.2水平侵彻过程分析

4.3.3斜侵彻过程分析

4.4侵彻参数对侵彻的影响

4.4.1空气阻力对侵彻的影响

4.4.2材料性能对侵彻的影响

4.4.3初始侵彻速度对侵彻的影响

4.4.3靶板厚度对侵彻的影响

4.4.4侵彻角度对侵彻的影响

4.5本章小结

结束语

致谢

参考文献