学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

动能弹在不同材料靶体中的侵彻行为研究

作　者: 何涛
导　师: 文鹤鸣
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程力学
关键词: 侵彻贯穿弹丸靶板经验方法分析方法数值模拟靶板响应力函数自由表面效应
分类号: TJ06
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 732次
引　用: 12次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文将解析法和数值模拟相结合，系统地给出了预测动能弹丸侵彻和贯穿不同靶板的方法。该方法能够比较准确的模拟出弹体侵彻和贯穿各种不同材料靶体和多层靶之后的运动和变形情况，而且这种方法计算简便快捷，可以用于弹体结构和几何尺寸的优化设计，也可以用来进行防护结构的设计和安全评估。采用的基本思想是将弹和靶分开来研究，用侵彻过程中靶体的响应力函数来代替靶体对弹的作用。这样在建立有限元数值模型时可以直接将靶体响应力函数作为边界条件加到弹体表面，从而省略靶体网格的划分，也不需要复杂的接触算式，大大节省了运算时间。因此本文主要内容包括以下几个方面系统地研究了确定靶体响应力函数的方法。靶体响应力函数的确定方法主要包括经验和半经验公式法、理论分析法和数值模拟法。经验方法中重点介绍了Forrestal半经验公式并改进了Wen半经验公式；理论方法详细介绍了空穴膨胀近似理论，并将剪胀效应引入空穴膨胀理论，认为空穴膨胀时破碎区不仅可以是压缩的，也有可能是膨胀的，并给出了求解过程；采用有限元方法模拟了不同本构材料中的球形和柱形空穴膨胀过程，得到了空穴表面径向应力的大小。最后指出了各种方法的优缺点和适用性。在靶体响应力函数的基础上给出了求解侵彻和贯穿问题的理论解法。将改进后的Wen半经验公式应用到纤维增强复合材料层压板的侵彻和贯穿问题，确定了动阻力系数，并通过实验验证了模型的正确性；用考虑剪胀效应的空穴膨胀模型计算了混凝土靶体中的侵彻深度和残余速度，所得结果与文献中的实验数据吻合得很好；最后利用弹头表面磨蚀速度的经验公式，编制了用于计算弹头磨蚀后形状的简单差分程序，并与文献中的实验结果进行了比较，两者吻合的较好。用弹靶分离的方法模拟了弹丸垂直侵彻金属和脆性材料的过程，模拟采用ABAQUS／Explicit显示动态有限元软件。结果表明偏航角对侵彻过程的影响非常大，偏航角越大弹尾的摆动就越剧烈，从而导致整个侵彻深度降低，也容易使弹尾处发生断裂。因此在实际应用中应当尽可能减小弹丸入射时的偏航角。此外通过模拟可以得到不同时刻应力应变的分布情况，从而找出弹体的薄弱部位，这对侵彻武器设计有着重要的指导意义。对弹丸斜侵彻和贯穿有限厚度靶体的过程进行了有限元数值模拟，考虑了自由表面效应的影响。对卵形弹采用了Warren的基于有限球形空穴膨胀的自由表面修正函数；对于锥头弹，推导了基于有限柱形空穴膨胀的自由表面修正函数。模拟结果表明：在斜侵彻时，当倾斜角比较大时，自由表面效应对整个侵彻过程有着很大的影响。当倾斜角度比较小时，自由表面效应对侵彻过程的影响很小。此外，锥头弹受靶体自由表面的影响一般要大于卵形弹，但是当锥头弹垂直侵彻有限厚度靶体时，由于材料扩展方向与靶体自由表面平行，弹体的运动将不受靶体自由表面影响。推导出了多层介质中的空穴膨胀模型，并构造了修正函数，然后通过两个算例模拟了弹体在分层介质中的侵彻过程。通过模拟结果我们发现考虑分层介质影响后的加速度曲线会使加速度的峰值降低，也使各层介质之间的过渡曲线更为圆滑。此外弹体侵彻分层介质时，对于比较厚的介质层，其加速度可以从滤波后的曲线中很容易分辨出来，而对于薄的介质层则很难分辨。本文为弹体侵彻和工程防护的研究提供了一条新思路，对国防工程和其它工程有着重要的参考价值和指导意义。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
主要符号说明  9-13
第一章绪论  13-24
  §1.1 引言  13-14
  §1.2 研究综述  14-21
    §1.2.1 经验法  14-16
    §1.2.2 理论分析法  16-21
    §1.2.3 数值模拟方法  21
  §1.3 研究中存在的问题  21-22
  §1.4 本文研究的基本思想和主要内容  22-24
第二章靶体响应力函数的确定  24-54
  §2.1 引言  24
  §2.2 经验和半经验公式法确定靶体响应力函数  24-27
    §2.2.1 Forrestal半经验公式  24-26
    §2.2.2 改进的Wen半经验公式  26-27
  §2.3 理论方法确定靶体响应力函数  27-46
    §2.3.1 空穴膨胀近似理论  27-31
    §2.3.2 考虑剪胀效应的球形空穴膨胀模型  31-40
    §2.3.3 考虑剪胀效应的柱形空穴膨胀模型  40-46
  §2.4 确定靶体响应力函数的数值模拟方法  46-52
    §2.4.1 靶体材料本构模型  46-47
    §2.4.2 有限元模型  47-48
    §2.4.3 结果与讨论  48-52
  §2.5 本章小结  52-54
第三章刚体侵彻和贯穿模型  54-77
  §3.1 引言  54
  §3.2 卵形弹的侵彻和贯穿模型  54-58
    §3.2.1 弹体受到的轴向阻力  54-55
    §3.2.2 弹体的受力区间  55-57
    §3.2.3 侵彻和贯穿过程求解  57-58
  §3.3 锥头弹的侵彻和贯穿模型  58-61
  §3.4 侵彻和贯穿结果与讨论  61-71
    §3.4.1 纤维增强复合材料层压板的侵彻和贯穿结果  61-68
    §3.4.2 混凝土的侵彻和贯穿结果  68-71
  §3.5 弹体的磨蚀  71-75
  §3.6 本章小结  75-77
第四章垂直侵彻过程的数值模拟  77-94
  §4.1 引言  77
  §4.2 有限元分析模型  77-78
  §4.3 弹丸侵彻半无限靶体的数值模拟  78-90
    §4.3.1 卵形弹侵彻铝靶过程的数值模拟  79-82
    §4.3.2 球形弹侵彻铝靶过程的数值模拟  82-86
    §4.3.3 动能弹对岩石材料侵彻的数值模拟  86-90
  §4.4 弹体断裂  90-92
  §4.5 摩擦的引入  92
  §4.6 本章小结  92-94
第五章斜侵彻和贯穿过程的数值模拟  94-112
  §5.1 引言  94
  §5.2 自由表面修正函数  94-102
    §5.2.1 金属材料中的自由表面修正  95-100
    §5.2.2 脆性材料中的自由表面修正  100-102
  §5.3 弹丸斜侵彻半无限靶体的模拟结果  102-106
    §5.3.1 金属材料  103-105
    §5.3.2 脆性材料  105-106
  §5.4 弹丸贯穿有限厚度靶体  106-110
    §5.4.1 卵形弹模拟结果  106-109
    §5.4.2 锥头弹模拟结果  109-110
  §5.5 本章小结  110-112
第六章多层介质中的侵彻问题  112-124
  §6.1 引言  112
  §6.2 多层介质中的有限球形空穴膨胀模型  112-118
    §6.2.1 材料响应  112-114
    §6.2.2 金属材料层  114-115
    §6.2.3 脆性材料层  115-116
    §6.2.4 径向应力求解  116-118
  §6.3 多层介质中的有限柱形空穴膨胀模型  118
  §6.4 多层介质侵彻过程模拟  118-123
    §6.4.1 算例一  119-121
    §6.4.2 算例二  121-123
  §6.5 本章小结  123-124
第七章全文总结及展望  124-127
  §7.1 全文工作总结  124-125
  §7.2 本文的主要创新之处  125-126
  §7.3 下一步的研究工作  126-127
参考文献  127-134
致谢  134-135
攻读博士学位期间发表的论文  135

动能弹在不同材料靶体中的侵彻行为研究

内容摘要

全文目录

相似论文