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反机场跑道串联随进弹终点效应的实验研究与数值模拟

作　者: 齐振伟
导　师: 王振国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 串联随进战斗部聚能射流侵彻混凝土数值模拟本构模型终点效应
分类号: TJ01
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 475次
引　用: 7次
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内容摘要

各种钻地武器已成为现代战争中发挥着不可替代作用的新型武器。串联随进弹由于其特有的优点已成为世界各国侵彻战斗部发展的一个重要方向,成为对付机场跑道和地下深埋战术和战略目标的有效手段。开展反机场跑道串联随进弹终点效应的数值模拟和实验研究,对武器战斗部的设计具有重要意义。围绕反机场跑道串联随进弹终点效应问题,本文在开发典型的金属材料和混凝土材料的动态本构模型及数值模拟两方面做了一些研究工作,取得了以下研究成果:(1)自行开发了适合描述爆轰波与金属壳体相互作用这一多尺度物理问题数值模拟的本构关系—状态方程,建立相关材料的宏、细观甚至微观模型,开发了用户材料模型子程序,并将其植入LS-DYNA动力有限元程序。对模型的可行性进行了计算考核,并将其用于串联随进战斗部中金属构件的动态响应数值模拟中。(2)自行开发了适合描述混凝土大变形、高应变率、高压加载响应的混凝土计算本构模型——动态随机损伤本构模型,并将其引入三维动力有限元程序LS-DYNA。模型在考虑混凝土的损伤(包括拉、压损伤)、应变率效应及破坏模式的完备性方面有所改进,并给出了确定材料模型本构参数的实用方法。新模型被用于模拟串联随进战斗部侵彻加载下的混凝土动态响应行为。(3)对聚能装药战斗部侵彻多层混凝土介质的实验方法和实验测量进行了分析,进行了一系列聚能装药战斗部侵彻混凝土靶体的实验研究,获取了一些实验结果,可作为数值模拟计算的对比验证。(4)根据战斗部的技术指标要求,对聚能装药战斗部射流形成过程及侵彻多层混凝土介质这一问题进行了建模和数值模拟计算,对影响串联随进战斗部性能指标的各因子进行了计算分析。(5)选取了合适的计算模型以及计算方法,针对串联战斗部前级开坑、后级随进及破坏多层混凝土靶体进行了连贯的数值模拟研究,给出了随进弹跟进聚能射流的数值模拟结果,得到了不同工况下随进弹侵彻混凝土靶体的破坏毁伤情况。(6)针对材料在不同动态加载条件下的响应特性,在数值模拟计算时合理地选择了材料模型。针对不同的物理问题,灵活而合理地选择了恰当的计算方法,最大限度地描述和再现了动态响应过程。本文的研究成果可以为串联随进战斗部侵彻机场跑道毁伤效应的工程分析、数值模拟、战斗部设计和实验技术提供重要的理论参考,从而达到节省人力、物力并提高效率的目的。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-27
  1.1 研究背景描述  17-19
  1.2 侵彻战斗部的国内外相关研究状况  19-25
    1.2.1 研究现状概述  19
    1.2.2 研究方法及手段  19-20
    1.2.3 混凝土动态响应背景  20-25
  1.3 本文的主要研究工作  25-27
第二章金属材料动态本构模型  27-53
  2.1 应力与应变关系  27-28
  2.2 金属材料的动态本构模型  28-35
    2.2.1 金属材料的状态方程  30-32
    2.2.2 金属材料的强度模型  32-33
    2.2.3 金属材料的微孔洞模型  33-35
  2.3 金属材料模型在LS-DYNA中的引入  35-43
    2.3.1 关于动力有限元软件LS-DYNA  36-37
    2.3.2 LS-DYNA计算流程和用户材料子程序  37-38
    2.3.3 金属材料本构模型计算方案  38-42
    2.3.4 单元的失效和删除  42-43
  2.4 金属材料本构模型的计算考核  43-52
    2.4.1 拉氏算法的控制方程  43-44
    2.4.2 实体模型及计算描述  44
    2.4.3 计算方法  44-46
    2.4.4 材料模型与状态方程  46-49
    2.4.5 数值模拟结果及其分析  49-52
  2.5 小结  52-53
第三章混凝土材料动态随机损伤本构模型  53-80
  3.1 引言  53-54
  3.2 混凝土在动态及极端加载下的本构模型概述  54-58
  3.3 混凝土动态随机损伤本构模型  58-74
    3.3.1 HJC压缩损伤模型与TCK拉伸损伤模型的优点和不足  60-61
    3.3.2 动态随机损伤本构模型的损伤及其演化  61-64
    3.3.3 动态随机损伤本构模型拉伸状态下的损伤演化  64-66
    3.3.4 动态随机损伤本构模型拉伸状态下的算法  66-68
    3.3.5 动态随机损伤本构模型压缩状态下的强度模型  68-69
    3.3.6 动态随机损伤本构模型压缩状态下的状态方程  69-70
    3.3.7 动态随机损伤本构模型压缩状态下的损伤积累  70-71
    3.3.8 动态随机损伤本构模型的破坏(失效)准则  71-74
  3.4 动态随机损伤本构模型在LS-DYNA中的引入  74-76
  3.5 动态随机损伤本构模型材料本构参数的确定  76-79
    3.5.1 基本力学性质参数的确定  77
    3.5.2 强度参数的确定  77
    3.5.3 损伤参数的确定  77-78
    3.5.4 状态方程参数的确定  78-79
    3.5.5 失效参数的确定  79
  3.6 本章小结  79-80
第四章聚能装药射流的基本理论  80-95
  4.1 引言  80-82
  4.2 聚能射流形成过程基本理论  82-89
    4.2.1 定常理想不可压缩流体理论  82-85
    4.2.2 准定常理想不可压缩流体理论  85-89
  4.3 聚能射流破甲过程基本理论  89-93
    4.3.1 金属射流的破甲过程  90-92
    4.3.2 破甲理论分析  92-93
  4.4 小结  93-95
第五章聚能装药射流侵彻混凝土实验研究  95-106
  5.1 引言  95-96
  5.2 聚能装药金属射流侵彻实验  96-105
    5.2.1 实验目的及原理  96-98
    5.2.2 实验设计及方法  98-101
    5.2.3 实验结果分析  101-105
  5.3 小结  105-106
第六章前级聚能装药射流形成及开坑的数值模拟  106-131
  6.1 引言  106
  6.2 聚能装药射流形成的数值模拟  106-117
    6.2.1 实体模型及计算模型描述  107-108
    6.2.2 欧拉算法部分的材料模型及参数  108-113
    6.2.3 拉格朗日算法部分的材料模型及参数  113-114
    6.2.4 数值计算结果  114-117
  6.3 射流侵彻混凝土的数值模拟  117-130
    6.3.1 混凝土本构模型分析  118-121
    6.3.2 数值模拟结果分析与比较  121-130
  6.4 小结  130-131
第七章串联随进弹终点弹道及毁伤效应的全程数值模拟  131-148
  7.1 随进弹战斗部的作用机理  131-135
    7.1.1 混凝土破坏侵彻准则  132-133
    7.1.2 随进弹侵彻作用  133-135
  7.2 计算模型  135-139
    7.2.1 实体模型及计算模型描述  135-137
    7.2.2 材料模型及参数  137-139
  7.3 计算结果分析  139-146
  7.4 小结  146-148
结束语  148-151
致谢  151-152
参考文献  152-164
作者在学期间取得的学术成果  164

反机场跑道串联随进弹终点效应的实验研究与数值模拟

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