侵彻国内外研究现状

通过数值模拟可以获得穿甲弹侵彻过程具体图像,得到侵彻中各物理量变化关系。数值模拟是在空间网络和离散时间上求出所有控制方程解


半穿甲爆破型反舰导弹穿透舷侧板架进入舱室内部爆炸产生大量高速破片,对舱壁结构造成侵彻作用,严重损伤舱壁结构。高速破片对靶板的侵彻问题属于穿甲力学研究范畴。钱伟长[3]在《穿甲力学》中总结了此前国内外研究进展,详细阐述了薄、中厚、厚靶板的侵彻。对于高速破片侵彻问题的研究,主要从实验研究、理论研究和数值仿真研究三方面进行。

1、实验研究

弹体对靶体材料侵彻机理复杂,最直接有效的方法是进行原型实验[4]。特别是某些新型抗弹体侵彻防护材料以及一些材料不均匀、各向异性、本构关系复杂的材料只有通过实验才能验证其抗侵彻性能。许多学者提出并实践了各种实验方法,得出了各参量间的相互关系,总结出大量经验公式,为研究侵彻过程力学机理提供了平台,成为检验理论分析和数值计算的重要标准。

国外研究学者中Levy和Goldsmith[5]研究了半球头弹对铝板的侵彻,测试了撞击力、靶板和塞块变形、应变。观察到环向裂纹比径向裂纹早出现,从而形成了塞块轮廓。当侵入速度增加时,塞块从靶板中分离出来。Goldsmith[6]研究了在不同形状弹体侵彻下韧性金属薄板损伤机理。讨论了接近弹道极限速度时,钢板和铝合金在平头、锥头和球头三种弹体侵彻下的损伤机理。Orphal和Anderson[7]通过大量的弹体侵彻实验,得出了侵彻速度和撞击速度之间呈线性相关关系的结论。国内研究学者中,朱锡等[8]通过船用复合装甲板的抗破片侵彻实验研究得知:如果舰船采用由钢板和复合材料板所组成的复合装甲结构,那么舰船结构的抗破片侵彻能力会比普通装甲结构强很多。王晓强等[9]为了得到破片模拟弹对陶瓷/船用钢靶板的侵彻规律,通过实验探讨了10g破片模拟弹侵入不同厚度配比靶板时的弹道极限,分别分析了陶瓷面板和船用钢背板的变形情况及弹道极限随陶瓷厚度和船用钢厚的变化关系。陶瓷面板呈现完全贯穿横向的径向裂纹和向靶前喷射陶瓷碎粒,破口直径远远大于弹体直径。王晓强和朱锡[10]研究高速墩头弹侵彻中厚金属靶板时将过程分成简单压缩、压缩剪切和绝热剪切三个阶段,并预测了金属靶板抗弹能力和墩头弹侵彻能力,具有一定理论价值和工程应用价值。沈晓乐等人[11]进行水下弹道试验以探究水下爆炸所产生的高速破片侵彻机理。采取了水下弹道试验进行研究,研究使用的破片是立方体型,分析得到:破片的侵彻阻力系数受破片型式影响较大,靶板受压会形成压缩波,压缩波作用使破片发生墩粗、侵蚀,造成破片侵彻截面积变大、侵彻质量变小。所以高速破片水下侵彻能力较低速不但没有变强反倒减弱了,侵彻深度减小。

2、理论研究

高速破片侵彻是一个十分复杂的过程,想要精确分析该过程必须考虑到弹靶两者相互作用时的弹塑性波、几何相容、有限应变和变形、超压流动、应变率效应等。所以,纯粹的理论研究十分困难。许多学者在研究时都将弹体和靶体模型[12]简化,运用质量守恒、动量守恒、能量守恒定律,利用连续介质力学中基本守恒定律和材料特性,在一定假设条件下,建立简化模型,研究弹靶破坏模式。最终把较为复杂的偏微分方程组简化成一维或二维微分方程,求解时再次进行简化。另外,大部分理论分析都把弹体假设为刚性[13],运用能量守恒或动量守恒原理建立方程。

Gorbett[14]最早从理论分析角度研究侵彻问题,但他的理论分析都只是静态下的分析。此后Taylor[15]对Gorbett的理论进行了改善,基于孔壁厚度相似律和材料不可压缩性,估算了轴对称扩孔过程并得出了贯穿靶板所需要的能量公式。但是Taylor的研究只考虑了准静态情况而没有研究惯性效应的影响。之后的研究学者考虑了惯性因素并对他的理论进行完善。Hill[16]通过更精确的数值积分运算得到了修正后的Taylor公式。Alsos[17]应用动量、能量原理对刚性平头弹侵彻陶瓷/铝合金靶板建立了工程模型,得到了弹道极限计算公式。