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计及靶体宏细观结构影响的低速侵彻响应-实验研究与数值分析

作　者: 徐伟芳
导　师: 汪洋
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 简化弹层状靶体侵彻参数分析细观结构骨料随机分布
分类号: TJ410
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

简化弹／层状靶体的侵彻问题是弹与靶相互作用的瞬态接触问题,涉及应力波的传播、弹靶的变形、损伤和破坏及其演化的相互耦合,有限元数值分析方法是侵彻分析的重要工具之一。但现有的有限元分析中缺乏较完整的混凝土宏细观数值本构模型以及宏细观失效准则,缺乏高效的计及细观结构特征的建模方法。本文提出了计及靶体细观结构特征的高效率建模方法和较完整的混凝土的宏细观数值本构模型以及宏细观失效准则；同时基于单点积分的非线性显式有限元LS-DYNA软件构建有限元数值分析平台,研究了简化弹低速侵彻层状靶体的弹靶动力学响应规律。本文获得了以下的主要研究成果。采用应变、加速度测试技术并结合高速摄影技术,建立了弹、混凝土靶侵彻过程中靶体动力学响应的测试系统,并应用于简化弹低速分别正侵彻单层混凝土靶和土体,以及斜侵彻层状靶体的试验中,获得了低速侵彻过程中靶体的响应规律。单层混凝土正侵彻试验的测试结果表明,简化弹碰撞单层混凝土靶后,着靶面的变形特征是径向受压和环向受拉；受出靶面自由边界的影响,在反射拉伸应力波的作用下出靶面混凝土发生飞溅、开裂和崩落；在撞击下单层混凝土靶体的动力学响应主要分三个阶段,初期主要是应力波的传播,中期是应力波和结构振动效应的耦合作用,后期主要是结构的振动。单层土体受球形弹侵彻后,土体的破坏特征为着靶面出现漏斗坑、土体内部形成直线通道,其漏斗坑直径、开坑深度及侵深随球形弹侵彻速度的增加而增加。层状靶体受截锥形简化弹斜侵彻后,面层内的径向和轴向加速度脉冲经历多次振荡后迅速衰减；靶体面层表面形成类似椭圆的破坏区域、内部形成类似喇叭口的破坏模式,基层、压实层和天然地基层内形成直线通道。依据混凝土三轴试验的结果分析,提出了较完整的混凝土宏观本构模型和失效准则,同时基于靶体侵彻响应测试结果,确定了混凝土和土的相关参数；在此基础上建立了简化弹正侵彻土体、单层混凝土和斜侵彻层状靶体的有限元分析模型,并分别进行了相应的计算,结合试验结果分别对相应的模型进行了考评,结果表明该有限元分析模型是有效的和比较可靠的。在此基础上较系统地研究了简化弹低速侵彻层状靶体的响应,考察了简化弹着速、倾角、攻角和层状靶体的基层强度对弹体偏转角、加速度和速度等侵彻响应的影响,揭示了以下新的相关规律。弹体在侵彻层状靶体过程中发生偏转,最大偏转出现在压实层和天然地基层中；在不同着速、倾角和攻角情况下,碰撞后的弹体速度和加速度响应与每层厚度和强度密切相关,其中加速度-时间曲线均呈台阶式下降；揭示了引信位置或起爆时间与弹体倾角、着速和攻角的权重排序关系,即定深引信的排序依次为弹体入射的倾角、着速和攻角,而延时引信的排序依次为弹体的着速、倾角和攻角。在级配“数值混凝土”的建模过程中,首先提出了空间离散占位法,实现了高容积率大量骨料的高效率投放,利用Patran中的PCL编制了数值混凝土的离散程序,实现了大尺寸数值混凝土的网格离散,采用可失效的接触算法模拟了骨料和砂浆的过渡带,建立了包含骨料和砂浆的两相数值混凝土模型,并进行了相应的计算,结合混凝土材料试验对该模型进行了考评。在此基础上研究了随机分布的骨料对简化弹侵彻响应的影响,初步揭示了相关规律。相对于均质化混凝土模型,随机分布的骨料对弹体的侵彻姿态有明显影响；在同一着靶点,弹体着速对不同弹径下弹体偏转角的影响规律相近,出现最大偏转角的速度均在385m/s附近；在相同的着速下,随着弹径的增加,偏转角逐渐减小；同一弹从不同的着靶点侵入后,在靶中经历的侵彻路径不同,骨料对弹体的作用也不尽相同,于是对弹体偏转角的影响规律也出现差异,如：出现最大偏转角时的着速不同；即使在相同的着速下,弹体偏转角也不相同。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-32
  1.1 引言  12-13
  1.2 弹靶侵彻动力学响应的宏观研究  13-22
    1.2.1 侵彻动力学响应的实验研究  13-17
    1.2.2 侵彻动力学响应的数值分析  17-22
  1.3 计及靶体细观结构的侵彻动力学响应研究  22-29
    1.3.1 计及土体细观结构的侵彻响应研究  22-23
    1.3.2 计及混凝土细观结构的侵彻响应研究  23-29
  1.4 本文的工作及主要内容  29-32
第2章混凝土、土体及层状靶体侵彻响应的实验研究  32-46
  2.1 单层混凝土靶体侵彻响应的实验研究  32-39
    2.1.1 试验系统及试样参数  32-35
    2.1.2 测试结果  35-38
    2.1.3 正侵彻下的变形、破坏特征及机理分析  38-39
  2.2 单层土体侵彻响应的实验研究  39-41
    2.2.1 试验装置及试样参数  39
    2.2.2 侵彻试验结果  39-41
  2.3 土和混凝土层状靶体侵彻响应的实验研究  41-45
    2.3.1 试验条件  41-42
    2.3.2 应变测试结果  42-43
    2.3.3 加速度测试结果  43-44
    2.3.4 层状靶体的破坏状态  44-45
  2.4 本章小结  45-46
第3章土、混凝土单层靶体侵彻响应的有限元分析  46-66
  3.1 侵彻分析的有限元方法  46-51
    3.1.1 沙漏模态  46-47
    3.1.2 侵彻过程中的接触算法  47-51
  3.2 单层混凝土靶侵彻响应的有限元分析  51-59
    3.2.1 侵彻分析的三维数值模型  51
    3.2.2 弹、靶材料的本构模型  51-56
    3.2.3 单层混凝土靶侵彻响应的数值分析结果  56-59
  3.3 单层土体侵彻响应的有限元分析  59-63
    3.3.1 土侵彻分析的三维数值模型  59
    3.3.2 弹、靶材料的本构模型  59-62
    3.3.3 弹丸侵彻土体的数值模拟结果  62-63
  3.4 本章小结  63-66
第4章土和混凝土层状靶体侵彻响应的有限元分析  66-88
  4.1 侵彻响应有限元模型的建立  66-69
  4.2 层状靶体侵彻响应有限元模型的验证  69-75
    4.2.1 层状靶体正侵彻有限元模型的初步验证  69-70
    4.2.2 层状靶体斜侵彻有限元模型的验证  70-75
  4.3 简化弹对层状靶体侵彻响应的影响参数分析  75-86
    4.3.1 影响参数的分析方法  75-76
    4.3.2 影响参数的确定及工况设计  76-78
    4.3.3 单参数影响的数值分析  78-82
    4.3.4 多参数联合影响的数值分析  82-86
  4.4 本章小结  86-88
第5章混凝土中骨料对简化弹侵彻响应影响的数值分析  88-104
  5.1 “数值混凝土”模型的构建  88-93
    5.1.1 混凝土骨料的级配理论  88
    5.1.2 骨料随机投放的空间离散占位法  88-90
    5.1.3 骨料的投放过程  90-92
    5.1.4 几何模型的网格离散  92
    5.1.5 两相“数值混凝土”模型中过渡带的算法  92-93
  5.2 数值混凝土模型有效性的验证  93-98
    5.2.1 网格划分的有效性  93-94
    5.2.2 过渡带算法的确认  94-97
    5.2.3 骨料和砂浆材料模型及参数的确认  97-98
  5.3 随机骨料对侵彻响应的影响  98-102
    5.3.1 数值分析模型  98-99
    5.3.2 数值分析工况  99
    5.3.3 数值分析结果  99-102
  5.4 本章小结  102-104
第6章总结与展望  104-108
  6.1 本文工作总结  104-105
  6.2 工作展望  105-108
参考文献  108-118
附录1 C.W.Young公式  118-121
附录2 正交设计与数据处理  121-123
致谢  123-124
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  124

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