LS-DYNA高速弹体侵彻多层介质的弹道稳定性研究(2)

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5高速弹体侵彻多层介质的弹道稳定性仿真研究··30

5.1引言·30

5.2弹体初速对弹道稳定的影响分析···30

5.3弹体入射角对弹道稳定性的影响分析34

5.4弹体攻角对弹道稳定性的影响分析···35

5.5弹体质心位置对弹道稳定性的影响分析·38

5.6本章小结···40

结论·41

致谢·42

参考文献·43

附录·46
1 绪论 1.1 研究背景及意义第二次世界大战以来，在科技进步的牵引下，军事技术发展日新月异。随着现代防御体系的发展，现代战争已经由地面转向了太空、海底或更深的地下，指挥控制中心、通讯设施、弹药储存库等重要的战略目标也逐渐转入地下。地下防御设施的数量不断增加，各种高新技术的应用使得其抗摧毁能力也大大加强，这对专门针对地下设施的钻地武器的侵彻和杀伤能力提出了严峻的挑战。于是,钻地弹侵彻地下目标成为了目前国内外热衷于研究的问题[1~4]。混凝土作为一种复合材料，具有良好的抗水性、耐火性、耐久性及易成型性，而且原料来源广泛、价格低廉，因此在世界范围内得到了大量的使用。在军事应用中，诸多重要的战略设施，如机场跑道、野外工事、地下指挥中心、武器库等，都使用了混凝土材料。对于一些特别重要的地下军事设施，其上还多覆盖有坚实的夯土层，多层介质防护层的使用使得其抗钻地武器侵彻破坏的能力大大加强。因此高速弹体侵彻多层复合介质的问题逐渐成为了钻地弹研究中的重点之一。本文以钻地弹侵爆战斗部为应用背景，旨在研究高速弹体侵彻土壤/混凝土多层复合介质的弹道稳定性问题。通过建立高速弹体侵彻土壤及混凝土介质的数学模型，并基于ANSYS/LS-SYNA进行数值仿真计算，最终对侵彻过程的弹道稳定性进行综合分析，找出影响弹道稳定性的主要因素并积极寻求改良弹道稳定性的方法，以便为钻地弹的工程研制提供相应的帮助。
1.2 国内外研究现状钻地弹是指反地下坚固目标的侵彻战斗部，专门用于攻击机场跑道、地面加固目标尤其是地下设施。钻地弹由坚硬的侵彻弹头，高爆炸药和引信组成。载体为巡航导弹、洲际弹道导弹、机载航空炸弹、制导炮弹和肩射火箭弹等弹体[4]。钻地弹一般都具有较高的速度和较大的质量，依靠运动过程中的巨大动能实现对深层目标的侵彻贯穿，并在目标内部引爆战斗部内的高爆炸药，对目标进行毁伤。
1.2.1 侵彻问题的研究方法由于钻地弹的侵彻目标多为地下设施，因此对钻地弹的研究是与地质材料密切相关的。弹体侵彻地质材料问题的研究涉及到地质学、土壤力学、波动力学以及冲击动力学和流体力学等多种学科[6]。弹体侵彻牵涉到弹体及靶板材料中的众多力学行为，源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 是一个复杂多变的过程。几十年来，国内外诸多学者对此类问题进行了广泛而深入的研究，目前主要的研究方法有经验方法、分析方法和数值方法，并且这三种方法的相互结合和补充也逐渐成为现今侵彻问题研究中的必然趋势。 (1) 经验方法经验法通过把大量试验数据用量纲分析法和相似理论联系起来，并建立合理的经验公式来表达其关系。经验公式一般可以分为依靠对试验结果进行相关分析建立的纯经验公式和在理论分析的基础上建立相关假设并通过运动学方程和试验数据推导出来的半经验公式[5]。现有比较著名的经验公式包括NDRC公式， CEA/EDF公式， Hughes公式，Forrestal半经验公式以及UMIST公式等。虽然各公式都在各自的研究课题中取得了比较好的效果，但是其在使用时都不可避免地具有一定的局限性。此外，经验公式无法对侵彻过程中弹靶的变形和破坏机制进行描述，单一地使用经验方法并不能取得详尽的数据和结果。 (2) 分析方法分析方法是指在分析材料特性的基础上，利用连续介质力学中的基本守恒定律，在一定的假设条件下，将复杂的侵彻过程简化并建立相对简单的数学模型，同时保证其基本的物理性质不变，进而对弹靶的破坏形式进行研究的一种方法。在分析方法得到的公式中，所有参数均来自于材料的物理和力学特性以及弹靶的形状尺寸。目前应用较多的分析方法有空腔膨胀理论（CEA）、微分面力法（DAFL）、侵蚀杆模型（A-T模型）以及局部相互作用理论（LIT）等。分析方法能够揭示模型中基本参数之间的函数关系，有助于试验设计，安排试验系列和组织数据。但是在分析方法中，经常把弹体或靶体当作是刚性的，而且几乎所有的分析都采用了一些附加的经验结论，或采用一些尚待测定的物质材料参量[43]。因此分析方法得到的结果很难完全反映真实侵彻情况。 (3) 数值方法随着计算机技术的发展和计算理论的不断完善，数值方法已经成为侵彻问题研究中的一种常用且方便的方法。数值方法能够对整个侵彻过程进行完整的模拟而且一般不引入过多地假设和简化。相对于试验研究，数值方法在研究成本和研究周期上占有绝对的优势，并且可以提供弹体及靶体内部各物理量在侵彻过程中的详细信息。现存的专用计算程序有美国Sandia国家实验室的PRONTO 3D，CTH，IMPACT， EPIC 等；此外，很多通用的大型商业软件，如有限元的 ANASYS，ABAQUS，LS-DYNA，AUTODYN 等，也得到了快速发展和广泛应用。虽然数值模拟法取得了很大的进步，但对于现有的靶体材料，尤其是力学性能复杂的混凝土等脆性材料，数值模拟中选定的本构模型难以完全反映其真实的本构特征。而且预期的计算精度与计算机的计算性能之间存在着严重的制约关系，网格划分和求解控制对结果的准确性和计算的稳定性也有着明显的影响，因此数值方法不能完全取代试验和理论研究，其结果需要与试验和理论结果进行对比以验证其正确性[33]。