论文摘要
本论文对长杆弹侵彻半无限金属靶板的问题进行了较全面地数值模拟和理论研究。对不同弹靶组合产生的不同侵彻形态,均进行了数值模拟和分析,获得了清晰的侵彻图像、材料变形过程和一些物理量如压力、质点速度等的分布、变化。然后在对数值模拟结果分析的基础上分别建立了理论模型,并成功地以材料性能和初始打击参数来预测侵彻深度和开坑直径。本文的研究和结论对长杆弹动能武器、防护结构的设计和安全评估有重要的理论和实际指导意义,主要内容包括以下几个方面:用ALE方法和Steinberg本构模型模拟了三类长杆弹侵彻问题。（Ⅰ）对消蚀的钨合金长杆弹侵彻装甲钢靶,得到不同打击速度下均与实验数据吻合的侵彻深度,成功地再现了实验观察到的四个侵彻阶段（瞬态高压段、准定常阶段、惯性扩展阶段和弹性回弹阶段）,模拟结果表明弹靶界面附近的材料行为主要由静水压力控制。（Ⅱ）对刚体长杆弹侵彻铝合金靶,使用流固耦合的方法,得到的侵彻深度也与实验数据吻合,发现弹体的横向开坑可分为两阶段-弹体头部开坑和随后靶体材料的惯性运动。（Ⅲ）对变形非消蚀的钢长杆弹侵彻铝合金靶,模拟得到的侵彻深度与实验数据具有相同的变化趋势。撞击初期主要是弹头变粗,其后杆身变粗,变形期间弹尾速度下降较快,侵彻速度较稳定。建立了长杆弹侵彻半无限靶的理论模型。弹靶组合可根据弹体强度Yp与靶板静阻力S的关系分为两类:（1）Yp≤S。弹体只能以消蚀的状态侵彻靶板,并且直接从刚体状态转变为消蚀状态。基于数值模拟分析结果,靶板在高速侵彻下的响应区被划分为流动区、塑性区和弹性区,流动区内材料视为无粘流体,用修正Bernoulli方程描述,塑性区和弹性区的材料行为用空穴膨胀模型描述,从而建立了长杆弹侵彻的新一维模型并给出了界面失效速度（Interface Defeat Velocity）的表达式。模型的预测侵彻深度与实验数据非常吻合。（2）Yp＞S。根据打击速度的大小,长杆弹可能存在三种状态,即刚性弹、变形非消蚀弹和消蚀弹。针对这三种状态,确定了临界转化条件即刚体速度（VR）和流体动力学速度（VH）的确定方法。对刚体侵彻,由之前得到的弹靶界面压力与侵彻速度的关系容易得到弹体受到的阻力;对于变形非消蚀弹侵彻,根据Forrestal和Piekutowski的4340钢长杆弹侵彻半无限6061-T6511铝合金靶实验结果提出了开坑面积随打击速度变化的关系,利用质量和动量守恒定律以及靶板阻力随侵彻速度的变化规律建立了变形非消蚀状态的弹体的u～v关系（其中u、v分别为侵彻速度和弹尾速度）,进而根据运动学关系求解了侵彻深度。结果表明:模型预测与实验结果较吻合,体现了相同的变化趋势。建立了长杆弹侵彻半无限靶的横向开坑模型。对弹体的变形和材料流动引入假定,利用新的一维模型得到的u～v关系和质量、动量、能量三大守恒定律并结合实验观察分别给出了Yp≤S和Yp＞S的开坑直径计算公式,模型应用于不同弹靶材料,均得到与实验数据一致的预测结果。研究了夹心长杆弹侵彻半无限靶问题。首先对不同外套-弹芯外径比的夹心长杆弹侵彻进行了数值模拟,模拟结果表明在rj0/rc0（外套外半径与弹芯半径之比）不太大的情形下,夹心长杆弹的u～v关系与去掉外套（或外套与弹芯材料相同）时的均质长杆弹差别很小,可直接用均质长杆弹的u～v关系代替。然后利用三大守恒定律和新的一维模型的u～v关系建立了夹心长杆弹开坑模型,并给出了产生co-erosion状态的临界条件(rj0/rc0)C的计算方法。理论模型较准确地预测了外套为EN24钢的钨合金夹心长杆弹侵彻装甲钢靶的开坑半径,并指出(rj0/rc0)C随打击速度增大而增大,可用减小rj0/rc0和增大打击速度来避免产生bi-erosion状态。
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