兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3836-3850.doi: 10.12382/bgxb.2022.0724
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
邓希旻1, 田泽1, 武海军1,*(), 王浩2, 黄风雷1
收稿日期:
2022-08-17
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
DENG Ximin1, TIAN Ze1, WU Haijun1,*(), WANG Hao2, HUANG Fenglei1
Received:
2022-08-17
Online:
2023-12-30
摘要:
为支撑超高声速导弹终点毁伤理论设计,适应异型弹体穿甲力学基础理论发展需求,非对称异型弹体贯穿金属薄板的穿甲特性及靶板损伤机理是当前亟需解决的关键科学问题。开展上下非对称结构异型弹体正/斜贯穿多层间隔921A薄钢板实验,基于Abaqus/Explicit、VUMAT和Python子程序开展数值模拟研究,分析弹体速度变化及偏转特性,结合靶板破坏形貌和能量耗散分析靶板损伤机理,讨论了研究结果在实际工程应用中的适用性。研究结果表明:上下非对称结构异型弹体具有维持弹体姿态稳定的特点,初速低于600m/s时速度降和弹道极限随倾角的增加而增大,靶板破坏模式以剪切冲塞、瓣裂和整体横向变形主导,初速高于600m/s时同初始倾角的弹道极限曲线重合,无量纲速度降随初速增加而降低,靶板破坏模式向延性扩孔、瓣裂和破碎转变;靶板塑性变形时切向塑性功占比最大、环向塑性功最小、轴向和径向塑性功相近,高速侵彻过程中靶板碎片动能为塑性功的25%~50%;基于几何相似的缩比模型可反映原型弹体高速穿甲时的速度变化情况及靶板的毁伤特性;研究成果可为异型弹体高速穿甲的弹靶响应及阻力特性的理论建模提供物理认识及数据支撑。
中图分类号:
邓希旻, 田泽, 武海军, 王浩, 黄风雷. 上下非对称结构弹体侵彻金属薄板的特性及薄板破坏形式[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3836-3850.
DENG Ximin, TIAN Ze, WU Haijun, WANG Hao, HUANG Fenglei. Penetration Characteristics and Plate Failure Modes of Asymmetrically Shaped Projectiles Penetrating Thin Metal Targets[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3836-3850.
序号 | 工况编号 | 类型 | 着靶速度/(m·s-1) | 倾角/(°) | 出靶速度/(m·s-1) | 速度降/(m·s-1) | 平均速度降/( m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | N1 | 三层正穿甲 | 1042.07 | -2.32 | 955.87 | 86.20 | 28.73 |
2 | O1 | 两层斜穿甲 | 1038.67 | 30.20 | 967.56 | 71.11 | 35.56 |
3 | O2 | 800.96 | 28.31 | 718.35 | 82.61 | 41.31 |
表1 实验结果
Table 1 Statistics of experimental results
序号 | 工况编号 | 类型 | 着靶速度/(m·s-1) | 倾角/(°) | 出靶速度/(m·s-1) | 速度降/(m·s-1) | 平均速度降/( m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | N1 | 三层正穿甲 | 1042.07 | -2.32 | 955.87 | 86.20 | 28.73 |
2 | O1 | 两层斜穿甲 | 1038.67 | 30.20 | 967.56 | 71.11 | 35.56 |
3 | O2 | 800.96 | 28.31 | 718.35 | 82.61 | 41.31 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
A/MPa | 842 | m | 0.986 | |
B/MPa | 528 | χ | 0.9 | |
n | 0.587 | ρ/(g·cm-3) | 7.85 | |
C | 0.024 | cp/(J·kg-1·K-1) | 452 | |
E/GPa | 201 | D1 | 0.268 | |
v | 0.33 | D2 | 1.621 | |
/s-1 | 0.001 | D3 | -0.609 | |
T0/K | 298 | D4 | 0.198 | |
Tm/K | 1765 | εf,t | 1.516 |
表2 921A钢仿真参数
Table 2 Material parameters of 921A
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
A/MPa | 842 | m | 0.986 | |
B/MPa | 528 | χ | 0.9 | |
n | 0.587 | ρ/(g·cm-3) | 7.85 | |
C | 0.024 | cp/(J·kg-1·K-1) | 452 | |
E/GPa | 201 | D1 | 0.268 | |
v | 0.33 | D2 | 1.621 | |
/s-1 | 0.001 | D3 | -0.609 | |
T0/K | 298 | D4 | 0.198 | |
Tm/K | 1765 | εf,t | 1.516 |
序号 | 工况编号 | 弹体类型 | 工况类别 | 初速/ (m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 相对 误差/% | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
实验值 | 仿真值 | ||||||
1 | N1 | 上下非对称 | 三层正穿甲 | 1042.07 | 955.87 | 952.14 | -0.39 |
2 | O1 | 两层斜穿甲 | 1038.67 | 967.56 | 978.07 | 1.09 | |
3 | O2 | 800.96 | 718.35 | 733.72 | 2.14 | ||
4 | 圆截面 | 293.24 | 261.23 | 267.90 | 2.55 | ||
5 | 椭圆变截面 | 两层正穿甲[ | 260.03 | 239.16 | 225.17 | -5.85 | |
6 | 542.86 | 529.81 | 516.47 | -2.52 |
表3 实验与仿真结果对比
Table 3 Comparison of experimental and simulated results
序号 | 工况编号 | 弹体类型 | 工况类别 | 初速/ (m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 相对 误差/% | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
实验值 | 仿真值 | ||||||
1 | N1 | 上下非对称 | 三层正穿甲 | 1042.07 | 955.87 | 952.14 | -0.39 |
2 | O1 | 两层斜穿甲 | 1038.67 | 967.56 | 978.07 | 1.09 | |
3 | O2 | 800.96 | 718.35 | 733.72 | 2.14 | ||
4 | 圆截面 | 293.24 | 261.23 | 267.90 | 2.55 | ||
5 | 椭圆变截面 | 两层正穿甲[ | 260.03 | 239.16 | 225.17 | -5.85 | |
6 | 542.86 | 529.81 | 516.47 | -2.52 |
初速/ (m·s-1) | 倾角/(°) | |||
---|---|---|---|---|
0 | 15 | 30 | 45 | |
300 | SP | SP | SP | SP |
600 | SP | SP | PD | PD |
800 | PD | PD | PD | PD |
900 | PD | |||
1000 | ||||
1100 |
表4 靶板局部响应类型
Table 4 Local response type of target
初速/ (m·s-1) | 倾角/(°) | |||
---|---|---|---|---|
0 | 15 | 30 | 45 | |
300 | SP | SP | SP | SP |
600 | SP | SP | PD | PD |
800 | PD | PD | PD | PD |
900 | PD | |||
1000 | ||||
1100 |
[1] |
刘子豪. 椭圆截面异型弹体高速侵彻混凝土特性研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2018.
|
|
|
[2] |
|
[3] |
王文杰, 张先锋, 邓佳杰, 等. 椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(1):164-173.
|
|
|
[4] |
骆奎. 非旋转对称的椭圆截面弹体对混凝土侵彻问题的研究[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2020.
|
|
|
[5] |
doi: 10.1016/j.dt.2020.05.011 |
[6] |
董恒. 椭圆截面弹体侵彻混凝土靶作用过程与结构响应研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2021.
|
|
|
[7] |
doi: 10.1016/0016-0032(59)90354-0 URL |
[8] |
doi: 10.1115/1.3636566 URL |
[9] |
潘鑫. 椭圆截面刚性弹体贯穿金属靶效能研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2019.
|
|
|
[10] |
王浩. 椭圆变截面弹体贯穿加筋板破坏模式与偏转机理研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2020.
|
|
|
[11] |
王浩, 潘鑫, 武海军, 等. 椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(10): 103203.
|
|
|
[12] |
王浩, 武海军, 闫雷, 等. 椭圆横截面弹体斜贯穿双层间隔薄钢板失效模式[J]. 兵工学报, 2020, 41(增刊2): 1-11.
|
|
|
[13] |
田泽, 王浩, 武海军, 等. 椭圆变截面弹体斜贯穿薄靶姿态偏转机理[J]. 兵工学报, 2022, 43(7):1537-1552.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0367 |
|
|
[14] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.103998 URL |
[15] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103745 URL |
[16] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104140 URL |
[17] |
doi: 10.1093/qjmam/hbq013 URL |
[18] |
doi: 10.14429/dsj.56.1953 URL |
[19] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2005.06.007 URL |
[20] |
doi: 10.1016/j.ijsolstr.2006.09.034 URL |
[21] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2008.12.003 URL |
[22] |
|
[23] |
doi: 10.1016/j.tafmec.2013.01.005 URL |
[24] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2017.04.011 URL |
[25] |
doi: 10.1016/S0734-743X(01)00035-5 URL |
[26] |
|
[27] |
陈小伟, 梁冠军, 姚勇, 等. 平头弹穿透金属靶板的模式分析[J]. 力学学报, 2009, 41(1): 84-90.
doi: 10.6052/0459-1879-2009-1-2007-572 |
doi: 10.6052/0459-1879-2009-1-2007-572 |
|
[28] |
doi: 10.1016/j.ijsolstr.2007.10.016 URL |
[29] |
doi: 10.1016/S0921-5093(04)00883-4 URL |
[30] |
doi: 10.1016/j.ijmecsci.2004.02.006 URL |
[31] |
doi: 10.1115/1.1755244 URL |
[32] |
doi: 10.1016/j.engfracmech.2004.07.011 URL |
[33] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2005.05.002 URL |
[34] |
doi: 10.1016/j.engfracmech.2006.01.009 URL |
[35] |
|
[36] |
朱锡. 921A钢动态屈服应力的实验研究[J]. 海军工程学院学报, 1991(2): 43-48.
|
|
|
[37] |
温鲁. 921A钢加筋板极限强度研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2020.
|
|
|
[38] |
吴子奇. 弹目结合的反舰导弹对目标舰船靶标侵彻毁伤研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2019.
|
|
|
[39] |
李营. 液舱防爆炸破片侵彻作用机理研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2014.
|
|
|
[40] |
|
[41] |
doi: 10.1016/j.euromechsol.2020.104048 URL |
[42] |
doi: 10.3390/ma15010372 URL |
[43] |
|
[44] |
doi: 10.1016/j.euromechsol.2005.04.001 URL |
[45] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2008.09.004 URL |
[46] |
doi: 10.1093/qjmam/1.1.103 URL |
[1] | 裴桂艳, 聂建新, 王秋实, 焦清介, 杜志鹏, 李营. 舰炮半穿甲模拟弹对金属靶板斜侵彻研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(3): 731-743. |
[2] | 杨光瑞, 汪维, 杨建超, 汪剑辉, 王幸. POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板抗爆性能[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1374-1383. |
[3] | 赵泽虎, 李祥龙, 胡启文, 王建国. 含铜石榴黑云片岩动态力学特性及损伤本构模型[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3805-3814. |
[4] | 亓晓鹏, 张杰, 赵婷婷, 王志勇, 王志华. 考虑骨料级配的混凝土靶板接触爆炸破坏模式[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3641-3653. |
[5] | 田泽, 王浩, 武海军, 邓希旻, 皮爱国, 李金柱, 黄风雷. 椭圆变截面弹体斜贯穿薄靶姿态偏转机理[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1537-1552. |
[6] | 张震东, 王雪琴, 任杰, 刘峥, 高原, 王玺. 连续碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞结构的准静态压缩响应[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1185-1193. |
[7] | 梁浩哲, 张庆明, 龙仁荣, 任思远. 深水爆炸下凸型加筋锥柱壳结构的破坏模式[J]. 兵工学报, 2021, 42(5): 987-996. |
[8] | 伍鹏, 李高春, 韩永恒, 赵汝岩, 谭洁, 刘著卿. 固体火箭发动机矩形粘接试件多角度拉伸过程变形测量与破坏模式[J]. 兵工学报, 2020, 41(11): 2234-2242. |
[9] | 徐伟, 侯海量, 朱锡, 陈长海, 李茂. 平头弹低速冲击下薄钢板的穿甲破坏机理研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(5): 883-892. |
[10] | 李典, 侯海量, 戴文喜, 朱锡, 李茂, 陈长海. 爆炸冲击波和破片联合作用下玻璃纤维夹芯复合结构毁伤特性实验研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(5): 877-885. |
[11] | 王涛, 余文力, 秦庆华, 王金涛, 王铁军. 爆炸载荷下泡沫铝夹芯板变形与破坏模式的实验研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(8): 1456-1463. |
[12] | 李典, 朱锡, 侯海量, 李茂, 陈长海. 近距爆炸破片作用下芳纶纤维夹芯复合舱壁结构毁伤特性实验研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(8): 1436-1442. |
[13] | 汪维, 刘瑞朝, 吴飚, 李林, 黄家蓉, 王幸. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(8): 1421-1429. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||