基于物质点法弹丸侵彻运动靶过程的仿真研究

发布时间：2020-10-10 17:57

　　 弹丸侵彻和装甲防护是军工领域的一个重点课题,可靠预测侵彻效果、提高侵彻能力始终是常规武器研究中的核心。处于低速或高速运动状态的舰船、坦克、汽车、飞机等物体的运动对弹丸的侵彻性能、毁伤效果、姿态等具有较大的影响。弹丸侵彻是个十分复杂的物理过程,材料在强冲击载荷作用下会产生超大变形、破碎、断裂等现象,给数值模拟带来了巨大挑战。物质点法是一种新的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法二者的优点,在处理大变形、不连续性问题、材料破损以及断裂等问题时,能避免因有限元网格畸变而无法重新划分网格以及导致数值计算无法继续的矛盾。本文以物质点法为研究手段,针对靶板横向运动对不同头部形状弹丸侵彻效应问题,开展了基于物质点法弹丸侵彻运动靶过程的仿真研究。利用加权余量法推导出物质点法控制方程的弱形式,建立了侵彻问题的物质点法求解格式,给出了显式物质点法的具体实现过程,并利用Fortran语言编写了用于研究弹丸侵彻过程的物质点法程序。运用程序分别对超高速碰撞以及弹丸贯穿静止薄、厚靶板等算例进行了仿真研究,并将其计算结果与已有文献的实验结果和有限元软件计算结果进行对比可知,物质点法模拟结果与实验和有限元软件计算结果吻合较好。表明物质点法在模拟侵彻问题上的有效性和适用性。为分析弹丸侵彻运动靶过程中侵彻毁伤效应的影响规律,基于物质点法分别从弹丸垂直侵彻和斜侵彻两种情况对不同头部形状弹丸侵彻运动靶的过程进行了数值模拟研究。在弹丸垂直侵彻运动靶的模拟中,分别分析了靶速、攻角对平头弹、球形弹、卵形弹侵彻效应的影响;对比了三者在相同工况下的侵彻毁伤效应。在斜侵彻运动靶的模拟中,分析了弹速、弹靶的速度比、弹丸长径比、倾角等因素对弹丸剩余速度以及靶板毁伤面积的影响规律;分析了平头弹、球形弹、卵形弹的跳弹规律,得出跳弹临界角。结果表明:无攻角时,靶速越大,靶板毁伤效应越好,且卵形弹的毁伤效果最好,有攻角条件下,当攻角一定时,靶速越大,靶板毁伤效应越差,弹丸侵彻能力越好,攻角在左右,侵彻能力最好,攻角角度较大时,卵形弹的速度损失最大;弹靶的速度比越大,靶板的运动对弹丸侵彻作用影响越弱;弹丸长径比等于10时,弹丸侵彻能力最好;倾角越大,弹丸速度损失量越大,且卵形弹速度降幅最大;跳弹临界角随弹丸初速度的增大而增大,卵形弹的跳弹临界角最小。本文的研究为打击运动目标以及弹丸头部形状设计提供一定的指导意义。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ410
【部分图文】：

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唤鼋鲇τ糜诰?铝煊颍?缍宰凹壮怠⒕?ⅰ⒎阑で?图1.1 所示)以及地下目标等进行打击；如今也广泛应用于飞机挡风玻璃的防护(图1.2 所示)、航天器的防护、车辆的碰撞、轮船之间以及轮船和桥梁之间的相互撞击、核反应堆外壳的防护等诸多非军事领域。因而，至今仍是研究热点之一[1-4]。图 1.1 弹丸穿甲示意图 图 1.2 鸟撞示意图弹丸侵彻和装甲防护这对相互制约的矛盾总是交替出现在现实战争中。一方面，装甲材料和技术取得不断突破，由均质装甲向复合装甲、模块化装甲等高性能方向发展，装甲防护性能得到了显著地提高，传统的反坦克武器面对新型特种防护装备时面临严峻的挑战。而另一方面，随着高超音速武器的问世以及技术的不断成熟，在其强大的动能下可轻易击破防空系统，对装甲坦克进行毁灭性打击。在武器装备的不断更新换代以及新型武器的研发趋势下，只有对弹丸侵彻过程和靶体特性进行全面研究，才能有效指导武器设计、装甲防护方式的设计以及检验新型武器的侵彻能力和防护能力。由于弹丸侵彻包含复杂的物理过程，其涉及到多个学科知识以及受弹、靶自身诸多因素的影响，若想通过试验对侵彻问题进行全面透彻的研究，则需要消耗大量的资源；并因受实验技术的限制以及物理现象本身的复杂性，导致对其机理的认识还不够深入，因此必须借助数值模拟进行分析。随着计算机硬件以及数值模拟技术的发展，且因数值模拟具有快捷、安全、低成本等优势，促使其成为研究侵彻问题的一个重要手段。到目前为止，国内外研究主要集中在侵彻静止靶领域[5-7]

湘潭大学硕士学位论文论从数量上还是深度上都比较有限，而在实际环境中，作、坦克、汽车、飞机等往往是处于低速或高速运动状态的不动的，目标的运动对弹丸的侵彻性能、毁伤效果、姿态为突出，是不可忽略的因素。另外，在应用于侵彻领域的数学者仍主要采用 LS-DYNA[8]、ABAQUS[9]、AUTOD有限元法获得了巨大的发展，算法也比较成熟，能够很好泛地应用于工程领域；但因其依赖于网格，导致生成网格等；在求解大变形问题时，还存在网格畸变[10](图 1.3 所影响计算效率和计算精度，甚至会出现严重错误，这就需不断地重划分网格不仅会造成计算量大幅增加甚至难以进，并且复杂三维问题的六面体网格重划分技术仍不成熟。及到强非线性，材料会出现超大变形、破碎，甚至相变、带来了巨大挑战。
【参考文献】

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本文编号：2835399