半穿甲战斗部弹体穿甲效应数值模拟与实验研究

论文摘要

半穿甲战斗部（Semi-Armor-Piercing Warhead，SAPW）是一种具有一定穿甲能力，又具有一定爆破威力的战斗部。在穿甲过程中，必须既能穿透一定厚度的目标，而自身功能又不受到破坏。由于在战斗部内，炸药占据了较大的体积，而炸药的强度与金属材料相比又存在量级的差异，较大的炸药装填比相应地削弱了战斗部壳体在穿甲过程中的抗变形能力。因此，半穿甲战斗部的壳体强度是研究中必须重点关注的问题之一。 本文针对超音速导弹半穿甲战斗部的动力学强度问题，开展了数值模拟与实验研究工作。以弹靶材料动态力学性能的实验研究为基础，获得数值模拟所需的材料力学性能；通过Taylor撞击实验及其数值分析对材料参量进行验证；应用平头弹正撞击靶板发生大变形的数值计算，截锥形实心、空心弹体撞击薄靶的穿甲实验、相应的理论分析和数值模拟确认与验证分析模型的合理性；在此基础上，开展了半穿甲战斗部穿甲效应的数值模拟和实验研究，探索和研究了穿甲过程的力学特性，为战斗部设计提供了穿甲过程的各种直观图像和数据，促进了战斗部的设计与研究工作。 利用MTS材料试验机和SHPB，对45钢和TC4钛合金两种材料在20℃～750℃、应变率10-4s-1～103s-1范围的塑性应力应变行为进行了较系统的研究，得到了相应的J-C本构模型参量，并通过不同速度下的Taylor撞击实验以及相应的轴对称数值模拟对本构模型参量进行了验征。 开展了不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验，研究了应力三轴度、温度和应变率对45钢和TC4钛合金失效应变的影响。应力三轴度对两种材料均具有明显的影响。45钢的失效应变随应力三轴度的增加而单调减小。TC4的失效特征随着应力三轴度变化而出现转变，在三轴度小于零时，材料表现为剪切破坏，在应力三轴度大于1／3时，材料为韧窝型破坏。在这两个区间内材料分别随应力三轴度的增大而减小，但三轴度在0到1／3之间，失效应变随三轴度的增加而增大。 在较高的撞击速度下，45钢和TC4钛合金两种材料在Taylor撞击实验中均发生了破坏，45钢表现为撞击端端面胀大开裂，而TC4表现为沿着斜面的破碎。对破坏过程进行了三维数值模拟，其中考虑了应力状态三轴度对失效应变的影响，获得的结果与实验相吻合。 采用J-C强度模型和J-C累积损伤破坏模型对平头弹撞击金属靶板的弹靶变形破坏进行的数值模拟研究，获得了弹体在不同撞击速度下的Taylor型变形、花瓣开裂和挤凿破坏，靶体的凹陷变形、冲塞等破坏模式，应用不同部位所经历的应力状态三轴度，进行了合理的力学效应解释。 采用韧性撕裂模型描述花瓣的裂纹扩展，在Landkof模型的基础上，研究了截锥型

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 弹靶撞击研究概述
• 1.3 薄靶的侵彻和贯穿研究进展
• 1.4 弹靶撞击中的弹体变形研究进展
• 1.5 穿甲效应数值模拟的材料性能描述
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 动力学数值分析的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.3 控制方程求解
• 2.4 动力学有限元的关键技术
• 2.5 LS-DYNA简介
• 2.6 动力学数值模拟实际应用的讨论
• 2.7 本章小结
• 第三章 45钢和TC4钛合金动态力学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料力学性能实验
• 3.3 塑性应力应变曲线
• 3.4 材料的失效应变
• 3.5 材料动态塑性本构模型参量
• 3.6 本章小结
• 第四章 Taylor撞击实验与数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 45钢和TC4的Taylor撞击实验
• 4.3 两种材料Taylor撞击变形的数值模拟
• 4.4 两种材料Taylor撞击破坏的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 平头弹体撞击靶板的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 有限元建模
• 5.3 计算结果与分析
• 5.4 与实验结果的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 截锥形弹撞击薄钢靶的研究
• 6.1 引言
• 6.2 截锥头弹体侵彻薄靶板的动力学分析
• 6.3 弹体侵彻薄靶的数值模拟研究
• 6.4 弹体侵彻薄靶的实验研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 半穿甲导弹战斗部弹体穿甲效应数值模拟
• 7.1 引言
• 7.2 弹体结构与计算方法
• 7.3 前舱段模拟件对弹体穿甲过程的影响
• 7.4 撞击着角的影响
• 7.5 不同靶板状态对弹体穿甲过程损伤的影响
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 主要研究内容与结论
• 8.2 本文的主要成果与创新
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的科研工作、论文发表和获奖情况