有限空腔膨胀理论及约束混凝土抗侵彻机理研究

论文摘要

本文以新型遮弹结构技术研究为背景,鉴于约束混凝土遮弹层结构的潜在优势和现有研究的严重不足,开展了钢管约束混凝土遮弹层结构单元抗动能弹侵彻探索试验、数值模拟和理论分析,研究了钢管约束混凝土的侵彻机理和抗弹机制,为约束混凝土遮弹技术的深入研究和推广应用提供了依据。本文主要创新性工作和成果如下:(1)改进了现有不可压缩理想弹塑性材料有限球形和柱形空腔膨胀理论。考虑材料压缩性和靶板侧面自由边界径向位移的影响,建立了可压缩理想弹塑性材料有限球形和柱形空腔膨胀理论。数值算例表明:当弹性波未达到自由边界时,本文模型与无限空腔膨胀模型一致;弹性波到达自由边界后,靶体进入弹塑性阶段,自由边界位移影响较小,可以忽略;当塑性区到达自由边界后,边界位移较大,不可忽略。(2)建立了约束混凝土有限球形和柱形空腔膨胀模型,得到了空腔壁压力的理论解。数值算例表明:在膨胀初始阶段,侧向约束的影响较小,随着膨胀过程的发展,侧向约束可显著提高空腔壁压力;当约束刚度较小时,侧向约束作用对空腔壁压力的影响不明显;而当约束刚度较大时,侧向约束使空腔壁压力明显增大;但随着约束刚度的进一步提高,空腔壁压力的提高幅度越来越小,存在合理的约束刚度和靶体半径。(3)进行了钢管混凝土抗12.7mm穿甲弹单发和多发打击试验,得到了破坏模式及主要破坏参数。结果表明:钢管约束混凝土在高速(800m/s以上)侵彻下,迎弹面形成了明显的漏斗坑,核心混凝土侧面形成了环向裂纹,背面混凝土出现了滑移;相对于半无限混凝土,钢管约束混凝土的抗侵彻能力可提高15%以上,且具有较强的抗多发打击能力。(4)侵彻试验、数值模拟和有限空腔膨胀理论相结合,分析了钢管约束混凝土的抗侵彻能力和机理。结果表明:钢管约束混凝土的抗侵彻能力优于半无限混凝土,钢管的约束作用可有效减小混凝土的损伤,提高抗多发打击能力;提高侧向约束刚度可有效提高约束混凝土的抗侵彻能力,合理采用较小的靶体尺寸可提高侧向约束效应,减小混凝土损伤。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 动能弹侵彻混凝土试验研究
• 1.2.1 混凝土侵彻试验研究综述
• 1.2.2 混凝土的局部破坏模式及其影响因素
• 1.3 动能弹侵彻混凝土数值模拟
• 1.3.1 材料模型
• 1.3.2 求解算法
• 1.4 侵彻问题中的空腔膨胀模型
• 1.4.1 金属材料空腔膨胀理论
• 1.4.2 混凝土材料空腔膨胀理论
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 有限空腔膨胀理论
• 2.1 理想弹塑性材料的有限球形空腔膨胀
• 2.1.1 问题的描述
• 2.1.2 弹塑性阶段的求解
• 2.1.3 塑性阶段的求解
• 2.1.4 数值算例及讨论
• 2.2 理想弹塑性材料的有限柱形空腔膨胀
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 弹塑性阶段的求解
• 2.2.3 塑性阶段的求解
• 2.2.4 数值算例及讨论
• 2.3 约束混凝土的有限球形空腔膨胀
• 2.3.1 问题的描述
• 2.3.2 弹性-裂纹-粉碎响应的求解
• 2.3.3 裂纹-粉碎响应的求解
• 2.3.4 弹性-粉碎响应的求解
• 2.3.5 粉碎响应的求解
• 2.3.6 粉碎响应模式的简化模型
• 2.4 约束混凝土的有限柱形空腔膨胀
• 2.4.1 基本假定
• 2.4.2 弹性-裂纹-粉碎响应的求解
• 2.4.3 裂纹-粉碎响应的求解
• 2.4.4 弹性-粉碎响应的求解
• 2.4.5 粉碎响应的求解
• 2.4.6 裂纹-粉碎响应模式的算例
• 2.5 本章小结
• 第三章 穿甲弹侵彻钢管约束混凝土试验研究
• 3.1 试件制备
• 3.1.1 原材料
• 3.1.2 混凝土配合比
• 3.1.3 靶体制备方案
• 3.1.4 试件制备过程
• 3.2 钢管混凝土材料性能
• 3.2.1 混凝土立方体抗压和劈裂抗拉强度试验
• 3.2.2 钢管材料性能
• 3.3 钢管约束混凝土侵彻试验
• 3.3.1 试验内容
• 3.3.2 试验方法
• 3.3.3 钢管混凝土试验结果
• 3.3.4 PVC管混凝土试验结果
• 3.4 试验结果分析
• 3.4.1 钢管约束混凝土侵彻破坏模式分析
• 3.4.2 钢管约束混凝土漏斗坑数据分析
• 3.4.3 钢管约束混凝土侧面和断面数据分析
• 3.4.4 侵彻深度数据比较分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 约束混凝土抗侵彻机理分析
• 4.1 钢管约束混凝土侵彻试验的数值模拟
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 结果比较
• 4.1.3 抗侵彻能力分析
• 4.2 钢管约束混凝土侵彻机理的数值模拟
• 4.2.1 侵彻过程分析
• 4.2.2 钢管约束作用分析
• 4.2.3 钢管壁厚和靶体半径的影响
• 4.3 基于有限空腔膨胀理论的分析
• 4.3.1 计算模型及参数
• 4.3.2 钢管壁厚对空腔壁压力的影响
• 4.3.3 靶体半径对空腔壁压力的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论和建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果