平头弹丸正撞击下金属靶板破坏模式的理论和数值研究

摘要

长期以来，弹体对靶体的侵彻问题一直受到人们的广泛关注。早期对此问题的兴趣主要来自军事应用，目前民用技术中的一些复杂撞击问题也同益引起了人们的关心。因而了解结构在冲击或爆炸载荷作用下的响应和破坏对航空航天、核、海洋或近海钻井平台、交通、造船、国防等诸多工程领域中各种结构系统的安全计算和安全评估有着重要的意义。特别是对落体、破片或射弹的防护结构而言，靶板的变形和穿透行为对其安全设计和评估意义重大。 本文以金属靶板为主要研究对象，讨论了会属靶板在平头弹丸以亚兵器速度正撞击时的破坏模式及其相应的理论模型及其数值模拟，得到了一些有意义的结果。 在理论模型方面，本文首先回顾了早期的一些分析模型，这些模型用比较简单的动力学基本观点来作宏观研究。着重介绍了三个模型：三阶段模型，唯象模型，以及Wen-Jones模型。本文建立了一个以Bai-Johnson热塑性本构为基础的绝热剪切模型。这个绝热剪切模型通过将临界侵彻能量无量纲化，在形式上可以比较方便的和Wen-Jones模型相结合使用。模型的预测与现有文献公开发表的实验数掘吻合的较好。 在金属靶板破坏模式方面，介绍了金属靶板在平头弹丸正撞击下的破坏模式，以及金属靶板的强度、硬度及靶板的厚度对会属靶板破坏模式产生的影响。简单讨论了在平头弹丸撞击下破坏模式的转化条件。进一步研究了金属薄靶板在平头弹丸正撞击下破坏模式由带有总体变形的局部简单剪切破坏向局部化的绝热剪切冲塞破坏的临界转化条件，提出了利用Wen-Jones模型通过无量纲力的方法来判断这两种破坏模式的转化边界，研究结果和现有公开发表的文献数据吻合的较好。 在数值模拟方面，本文借鉴理想弹塑性本构半径回归算法的思想，推导了线性硬化弹塑性本构计入弹性应变影响的半径回归算法，同时给出了一种近似的忽略弹性应变影响的半径回归算法。综述了几种固体高压状态方程，研究了绝热熵增型Hugoniot状态方程及其几种形式。并使用理想弹塑性本构半径回归算法开发了ABAOUS/Explicit自定义本构程序。该自定义本构程序采用损伤型热粘塑性本构关系、Hugoniot状态方程、计入弹性应变的半径回归算法。将数值模拟结果与实验结果进行对比，得到了一些有意义的结论。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2弹丸侵彻金属靶板的研究概况

1.2.1经验或半经验法

1.2.2理论分析方法

1.2.3数值模拟方法

1.3本文主要工作和内容

第二章金属靶板在平头弹丸正撞击下的分析模型

2.1引言

2.2早期的一些分析模型

2.2.1动量守恒模型

2.2.2流阻运动模型

2.2.3摩阻(剪切)运动模型

2.2.4能量守恒模型

2.3经典的几个分析模型

2.3.1三阶段模型

2.3.2唯象模型

2.3.3Wen-Jones模型

2.4绝热剪切模型的建立

2.5与实验数据的比较

2.6本章小结

第三章平头弹撞击下金属靶板的破坏模式

3.1引言

3.2钝头弹撞击下金属靶板的破坏模式

3.2.1引言

3.2.2简单剪切破坏

3.2.3绝热剪切性破坏

3.2.4碟型破坏

3.3金属靶板破坏模式之间的联系

3.4对金属靶板破坏模式产生影响的其它因素

3.4.1弹头形状对金属靶板破坏模式的影响

3.4.2靶板材料的强度及厚度对侵彻和破坏模式的影响

3.5平头弹撞击下延性金属靶板破坏模式转化的进一步研究

3.6本章总结

第四章数值模拟

4.1引言

4.2 ABAQUS简介

4.3弹丸侵彻靶板中的材料本构模型

4.3.1Johnson-Cook本构模型

4.3.2 Zerilli-Armstrong本构模型

4.3.3侵彻问题中JC本构模型与ZA本构模型的比较

4.4 Johnson-Cook本构模型和失效本构中材料参数拟合

4.4.1JC本构模型中参数A、B、n的拟合

4.4.2 JC本构模型中参数C、m的拟合

4.4.3 JC失效本构模型参数的拟合

4.5 ABAQUS自定义本构程序的开发

4.5.1损伤的引入

4.5.2含损伤热粘塑性本构的半径回归算法

4.5.3高压状态方程的研究

4.6平头弹丸侵彻金属靶板有限元模型

4.6.1模型的建立

4.6.2网格密度对计算结果影响的分析

4.6.3数值模拟结果分析

4.7本章小结

第五章全文总结和展望

5.1全文工作总结

5.2今后工作展望

参考文献：

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文