横向效应增强弹丸侵彻及破碎机理研究

发布时间：2020-06-06 00:09

【摘要】：横向效应增强型弹丸(PELE)是一种不含炸药,完全依靠弹靶撞击时自身结构产生的物理作用实现穿靶后壳体破碎,形成空间散布破片,提高弹丸靶后毁伤效应的新型高效毁伤弹药。该类弹丸在侵彻过程中,弹丸壳体与内芯之间,外壳与靶板、内芯与靶板之间存在着非常复杂的相互作用关系,且穿靶前后弹体发生较大变形,穿靶后弹体外壳发生破裂,这些特点使得其与普通弹丸穿靶前后的弹丸状态和侵彻作用机理区别较大,对PELE弹丸侵彻及破碎机理的研究可以为该类弹药的设计和性能改进提供理论指导。本文主要采用理论分析、实验验证与数值模拟相结合的方法对PELE弹丸的侵彻及壳体的破碎机理以及影响因素进行了研究,研究内容主要包括以下几个方面。(1)研究了PELE弹体侵彻薄靶后弹体剩余速度的分析确定方法。通过对横向效应增强型弹丸侵穿金属靶板作用过程的分析,提出了用弹靶撞击阶段和冲塞剪切阶段两个阶段描述PELE弹丸侵彻薄靶板过程的假设;依据冲击波理论和冲塞剪切理论给出了弹体侵彻过程中能量损失的确定方法;依据求出的能量损失和能量守恒原理,建立了PELE弹丸正撞金属薄靶后剩余速度的理论计算模型,并通过实测实验数据和文献实验数据验证了理论计算模型的正确性。通过对弹体侵彻过程中各损失能量的对比分析发现,弹体侵彻第一阶段中对靶板塞块驱动和压缩损耗的能量在弹体总能量损失中所占份额最大;外壳前端内沿对靶板的剪切能耗对弹体动能损失的影响可以忽略。(2)研究了PELE弹体靶后破片宽度与长度的分析计算方法。依据Mott-Grady动态破裂理论和冲击荷载作用下梁的剪切失效理论,提出了弹丸壳体破片宽度与长度的计算确定方法,通过弹丸破片回收实验,验证了破片大小分析理论的正确性。同时,通过对实验结果和理论分析模型的进一步研究表明,PELE弹丸壳体破片的宽度与材料破碎耗能和临界失效应力呈正相关,与材料密度、破碎临界应变、应变率及材料的Gumbel分布常数呈负相关。弹体外壳前端破片随着内芯材料波阻抗的增加,破片环向宽度减小、数量增多、径向飞散速度变大;壳体前端破片长度随着壳体厚度、韧性和冲击波传播速度的增大破片长度增大,随壳体径向膨胀速度的增加破片长度变小。(3)研究了PELE弹丸靶后破片径向飞散速度的计算确定方法。针对撞击作用下,弹体同时发生的轴向压缩与径向膨胀变形,提出了应用一维应变下的轴向压缩变形和一维应力下的径向膨胀变形,先后两个变形过程分析弹体变形的方法。依据冲击波理论给出了弹体前端材料压缩势能和径向膨胀势能的计算方法,由功能转化原理给出了PELE弹丸前端外壳在穿靶后形成破片的最大径向飞散速度计算模型,计算结果在多种工况下均与实验结果较为一致。对径向速度理论计算模型的分析表明,PELE弹丸靶后外壳破片径向最大飞散速度随外壳和内芯材料体积模量及泊松的增大而增大;PELE弹丸外壳破片的最大径向飞散速度是壳体和内芯在冲击波压缩作用下共同径向膨胀的结果,且外壳的膨胀能在弹体整体膨胀能中所占份额较大,计算中应当同时考虑弹体外壳和内芯材料横向膨胀效应对弹体破片径向飞散速度的影响。(4)对数值仿真软件、仿真算法与材料模型的选择以及模型参数和网格尺寸及侵蚀应变的影响进行了研究。通过实验和数值仿真数据分析,给出了弹体破片的轴向和径向速度以及弹体破裂长度与弹靶材料、弹体封堵位置、弹体内外径比、弹体质量、弹体结构之间的影响关系。
【图文】：

主要阶段,弹体,径向膨胀,阶段

彻性能相对较弱。PELE 弹丸侵彻靶板的过程可分为三个一阶段为弹靶撞击阶段，此阶段弹体外壳和内芯材料受到第二阶段为弹体侵彻靶板阶段，此阶段弹体外壳与内芯在材料中的轴向压缩力部分转化为弹体的径向膨胀力，由的影响，使得弹体径向膨胀力转化为径向膨胀势能；第破裂阶段，弹体穿透靶板后径向失去约束力，在径向膨壳发生破裂形成具有一定径向飞散速度的破片，这些破毁伤概率。图 1.1 PELE 弹结构剖面图

结构剖面

英文简称为 PELE 弹丸（Penetra提出的一种新型高效毁伤弹药[1][2]，能力，其弹丸内不含高能炸药，不后，裂解形成破片，攻击目标，穿丸主要由后端封闭的高密度外壳、低如图 1.1 所示。它的外壳具有良好的E 弹丸侵彻靶板的过程可分为三个阶，此阶段弹体外壳和内芯材料受到板阶段，，此阶段弹体外壳与内芯在分转化为弹体的径向膨胀力，由于膨胀力转化为径向膨胀势能；第三板后径向失去约束力，在径向膨胀定径向飞散速度的破片，这些破片
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ410

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