MCA方法与弹丸侵彻混凝土过程研究

论文题目: MCA方法与弹丸侵彻混凝土过程研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 兵器发射理论与技术

作者: 陈克

导师: 黄德武

关键词: 移动元胞自动机法,数值模拟,弹丸,混凝土,侵彻

文献来源: 南京理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文采用移动元胞自动机法(Movable Cellular Automata Method)研究混凝土材料在冲击、侵彻等动载荷作用下产生损伤和破坏的过程。移动元胞自动机法是一种适于处理非连续介质力学问题的计算方法。 根据非均匀材料的细观特征，从运动学的基本原理出发，在原有移动元胞自动机法的基础上，推导出适于高速侵彻的移动元胞自动机法的计算模型。在模型中采用了位移、应力、体积应变等三个破坏准则来模拟材料的动态损伤和破坏过程。应用该模型对混凝土脆性介质在单轴压缩载荷作用下的破坏过程和弹丸侵彻混凝土靶的破坏过程进行数值模拟，并将弹丸侵彻混凝土的计算结果与Forrestal经验公式计算结果和Dytran计算结果进行了对比分析，表明该模型理论的正确性和可靠性。应用移动元胞自动机法计算出混凝土材料在高应变率、高压下的冲击绝热数据，并拟合出混凝土高压状态方程。 应用量纲分析和相似理论，讨论了侵彻速度在1000m／s以下，模型弹、靶材料和原型弹、靶材料相同且弹体形状几何形似时，侵彻深度具有几何相似性。 采用14.5mm机枪穿爆燃制式弹对300mm厚混凝土靶进行实弹侵彻试验，得到了一些工程上有价值的结果。同时试验结果也进一步验证了移动元胞自动机法的正确性。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 高速侵彻研究概况

1.1.1 靶场试验及经验公式

1.1.2 理论分析方法

1.1.3 数值模拟

1.2 侵彻混凝土材料靶数值模拟研究

1.2.1 弹丸对混凝土侵彻的破坏现象

1.2.2 混凝土破坏本构模型的研究

1.3 移动元胞自动机方法的产生及应用

1.3.1 元胞自动机的产生及发展

1.3.2 移动元胞自动机法的产生及应用

1.4 本文的理论意义和应用价值

1.5 本文主要研究内容和工作

2 移动元胞自动机法的基本原理

2.1 MCA方法的基本概念

2.2 MCA方法的运动方程

2.3 参数C(ij,ik)和Ψ(α_(ij,ik))的确定方法

2.3.1 正四边形排列时参数的确定

2.3.2 正六边形排列时参数的确定

2.4 MCA方法的本构模型

2.4.1 元胞内的应力应变关系

2.4.2 元胞间的应力应变关系

2.4.3 元胞间粘滞力的耗散作用

2.4.4 计算求解的迭代公式

2.5 元胞状态方程

2.6 破坏准则

2.7 本章小结

3 混凝土低速压缩破坏过程的MCA方法数值模拟

3.1 混凝土断裂破坏过程

3.2 模拟模型的建立

3.2.1 MCA软件结构简介

3.2.2 模型建立

3.3 模拟结果分析

3.3 本章小结

4 MCA方法在模拟弹丸侵彻混凝土中的应用

4.1 弹体和混凝土的本构模型及破坏准则

4.1.1 本构模型

4.1.2 破坏准则

4.2 弹丸侵彻混凝土靶MCA方法数值模拟

4.2.1 弹丸对混凝土靶板的侵彻模拟

4.2.1.1 选定参数及建立计算模型

4.2.1.2 模拟结果分析

4.2.2 不同初速度弹丸垂直侵彻混凝土靶的最大侵彻深度的模拟

4.2.2.1 选定参数及建立计算模型

4.2.2.2 模拟结果分析

4.2.3 最大穿深的对比研究

4.2.3.1 侵彻深度预计公式

4.2.3.2 最大穿深MCA计算结果与Forrestal计算结果对比分析

4.2.4 元胞尺寸对侵彻的影响

4.3 MCA方法模拟研究骨料含量、分布对混凝土靶抗侵彻性能的影响

4.3.1 模型参数的选定

4.3.2 侵彻模拟分析

4.4 MCA方法模拟弹丸侵彻土壤及混凝土复合介质

4.4.1 确定侵彻模拟参数并建立计算模型

4.4.2 侵彻模拟分析

4.5 基于MCA方法研究混凝土冲击高压状态方程

4.5.1 模拟试验模型的建立

4.5.2 计算结果与讨论

4.6 本章小结

5 弹丸侵彻混凝土靶的有限元计算与MCA计算对比分析

5.1 弹丸侵彻混凝土靶的Dytran数值模拟

5.1.1 实体模型的离散化

5.1.2 建模中的一些问题

5.1.3 材料本构模型及其参数确定

5.1.4 计算结果及分析

5.2 MCA方法与Dytran有限元法计算结果对比

5.3 本章小结

6 弹丸侵彻混凝土靶的相似性分析

6.1 弹丸侵彻混凝土靶板的模拟律

6.1.1 影响弹丸侵彻因素的确定

6.1.2 侵彻过程参量分析

6.1.3 几何相似律

6.2 验证分析

6.2.1 试验数据的验证分析

6.2.2 MCA模拟结果的相似性

6.3 本章小结

7 弹丸侵彻混凝土的试验研究

7.1 试验方法

7.1.1 试验方法描述

7.1.2 弹体材料和结构

7.1.3 混凝土靶性能和结构

7.2 试验结果与分析

7.2.1 试验结果

7.2.2 试验结果分析

7.3 试验结果与模拟结果的比较

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 本文的主要结论

8.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

发布时间: 2006-12-06

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