高速弹体非正侵彻结构响应模式与失效破坏机理研究

The earth penetration weapon may face the problem of structural stability with increasing the impact velocity and nonideal conditions, i.e., the dynamic bending, buckling or breaking of projectile structure. The structure response of penetrator is related to the optimization design of weapons structure strength and high ratio of explosive to warhead and other important aspects, it has become the important science and engineering problem in the penetration research field. But there is little real-time test data of projectile response characteristic features, nor mechanism analysis of projectile failure mode on hypervelocity penetration..Our research aim the key scientific problems in engineering design of high-speed penetrator, in order to get the projectile structural response modes and the mechanism of projectile failure mode on hypervelocity penetration, a combined work of experimental test, theoretical analysis and numerical calculation will performed to get the real-time response characteristics of penetrator, to establish a analysis model for projectile structure response caused by the interaction of transverse and axial loads, to set up a structure failure destruction criterion of projectile on hypervelocity penetration, to get the coupling mechanical response law of projectile cartridge and charge, to provide the theory basis for penetrator structure optimization design and its structural strength analysis, and to provide mechanical boundary conditions for mechanical behavior and chemical response analysis of energetic materials under impact loads.

高速非正侵彻条件下容易导致侵彻体失效破坏，如弹体弯曲、屈曲、弹体破裂等结构响应现象。侵彻体的结构响应涉及到高速侵彻武器战斗部的结构强度与装填比优化设计等重要方面，已成为该领域的重要科学与工程问题。但目前尚缺乏侵彻弹体响应特征量的实时试验数据、高速侵彻弹体失效破坏模式的机理分析。.本项目针对高速侵彻弹体工程设计中急需解决的关键科学问题，以获取高速非正侵彻环境下侵彻体结构响应模式与失效破坏机理为突破点，采用试验测试、理论分析和数值计算相结合的方法，重点获得高速侵彻体结构响应的实时特征，建立非正侵彻条件下由横向与轴向载荷交互作用引起的高速侵彻体的结构响应分析模型，建立相应的高速侵彻体结构失效破坏判据，得到高速侵彻弹体壳体结构与装药的耦合响应规律，为高速侵彻弹体的结构优化设计、结构强度分析提供理论依据，同时为预测含能材料在冲击载荷作用下的力学行为及化学响应提供力学边界条件。

侵彻体的结构响应涉及到高速侵彻武器战斗部的结构强度与装填比（炸药装药与战斗部质量之比）优化设计、战斗部的侵彻能力及侵彻爆炸破坏终点效应的预估、乃至炸药装药安定性分析等方面，是该领域的重要工程与科学问题。本项目采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究了大长细比弹体侵彻典型硬目标过程中的弹体结构弹塑性动力响应问题，得到了弹体响应过程的重要特征，其主要工作与结论为：.(1)建立了基于φ57轻气炮的平面撞击侵彻实验系统，设计开展了一系列侵彻实验，获得了大长细比弹体撞击硬目标的实时动力学响应分幅照片。软回收弹体观察到大长细比弹体垂直侵彻硬目标的局部墩粗、塑性屈曲两种结构破坏模式，以及斜侵彻硬目标的整体塑性弯曲、弯曲与墩粗耦合、弯曲与屈曲耦合等三种结构破坏模式。基于MATLAB图像处理，获得了弹体实时及最终形变的精确量化实验结果。. (2)基于LS-DYNA有限元程序的数值计算结果，得到Lagrange六面体常应力积分单元积分点任意时刻的应力张量σij，建立了利用该结果获得截面广义载荷的方法。计算Parkes梁问题与Parkes理论解和Reid的数值解定性一致。首次利用该方法分析得到侵彻过程中考虑波动效应的侵彻体截面轴力、剪力、弯矩等宏观载荷量的动态响应变化过程。.(3)对弹体侵彻两种硬目标的三种典型响应模式进行了数值模拟，即：具有单铰破坏响应模式的斜侵彻、具有双铰破坏响应模式的斜侵彻以及刚性范围内垂直侵彻的弹体响应。得到不同响应模式中的截面宏观载荷分布、变化规律，讨论了宏观载荷对不同响应模式的影响。.(4)基于小变形假设得到刚塑性自由梁在侧向载荷作用下的完全解。采用自由梁端点受质量块斜撞击的响应模式，建立了在轴向及侧向交互载荷下的自由梁响应方程，结合动能弹侵彻混凝土目标的工程应用实际，得到了动能侵彻弹在一定着角、着速下的结构设计要求，以及一定结构弹体满足结构强度和刚度要求的着速着角条件。