金属动能弹失效模式及机理研究

随着装甲防护技术水平的不断提高，目标靶体的强度和韧性也越来越高，弹体在侵彻过程中将会破碎解体，从而改变既定打击效果。在易碎穿甲弹的应用中，在希望保持弹体的弹道性能及打击命中率的同时，在穿靶后形成膨胀破片群，进一步加大毁伤效果。因此，材料的破碎问题是一个"双刃剑"，如何利用材料的破碎特性让破碎行为可控，是一个崭新和有趣的课题。本项目利用实验和数值仿真相结合的手段，研究不同强度金属材料在不同温度（20～1000℃）和应变率范围（10e-3～10e4 /s）的本构关系和失效准则，然后进行撞击侵彻实验，总结弹体的变形和失效模式，最后用材料学方法和力学分析揭示材料变形和破坏的机理，为弹体的选材和工程应用提供建议。

随着装甲防护技术水平的不断提高，目标靶体的强度和韧性也越来越高，弹体在侵彻过程中将会破碎解体，从而改变既定打击效果。易碎穿甲弹的应用中，在希望保持弹体的弹道性能及打击命中率的同时，穿靶后形成膨胀破片群，进一步加大毁伤效果。因此，材料的破碎问题是一个" 双刃剑" ，如何利用材料的破碎特性让破碎行为可控，是一个崭新崭新而有意义的课题。本项目利用实验和数值仿真相结合的手段，研究不同强度金属材料在不同温度（20～1000 ℃）和应变率范围（10e-3～10e4 /s）的本构关系和失效准则，然后进行撞击侵彻实验，总结弹体的变形和失效模式，最后结合数值模拟揭示材料变形和破坏的机理。.获得的主要结果分为以下三个方面。（1）通过材料性能试验，获得了两种铝合金，四种钢材动态本构关系和失效准则，并给出了所有的模型参数。本构关系主要基于Johnson-Cook本构模型，并基于试验数据进行了适当的修改。失效准则主要使用Johnson-Cook失效模型和Cockcroft-Latham失效准则，一并对其他常用失效准则也进行了探讨。（2）获得各种杆弹撞击刚性靶和变形靶后的变形和破坏模式以及与撞击速度的关系。总共开展了两种铝合金弹，四种钢弹Taylor撞击试验，获得了各种弹体的变形和破坏模式，总结如下：低速下，各种弹体均发生镦粗变形；随着速度提高，高延性弹体发生拉伸开裂，中延性和低延性弹体发生剪切开裂；高速时，高延性弹体发生花瓣形破坏，中延性弹体花瓣可能脱落，低延性弹体发生破碎。低延性弹体从开裂到破碎的速度区间远远小于高延性弹体。获得了几种杆弹撞击五类可变形靶板过程的弹靶破坏模式，探讨了弹体硬度，弹头形状，靶板组合方式等对侵彻性能的影响。（3）通过结合准确材料性能表征的数值模拟可以成功再现实验过程。在验证有效性的基础上，通过数值仿真揭示了Taylor试验中弹体失效机理，结果表明：对高延性弹体，拉伸应力状态对弹体失效起主要作用；对低延性弹体，剪切应力状态对弹体失效起主要作用。同时探讨了在研究动能弹破坏模式过程中，使用低延性铝合金弹体代替低延性高强钢的可能性。最后探索了使用数值仿真研究变形弹侵彻变形靶的可能性。.本项目研究成果可为动能弹的选材和工程应用提供数据支持和理论依据。.