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平头弹贯穿铝靶板数值模拟

摘要

穿甲防护问题的研究一直广泛关注，本文首先总结了近些年国内外关于平头弹侵彻靶板的研究成果，然后分析了平头弹贯穿金属靶板时的冲塞破坏理论模型，然后对影响靶板破坏模式的因素进行了分析。

用非线性软件LS-DYNA进行平头弹丸贯穿铝合金靶板的数值仿真模拟，模拟弹丸以1000m/s的速度侵彻三种不同厚度的铝合金靶板的过程，通过观察靶板的应力云图和弹丸的速度、加速度曲线，并结合理论计算来分析弹丸在穿甲过程中的剩余速度和过载规律性以及观察靶板的破坏模式。结果表明：靶厚对剩余速度和侵彻中过载均有很大影响。

关键词：平头弹  LS-DYNA  侵彻  剩余速度  过载特性 

 

目录

1 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1实验分析法 2

1.2.2理论分析法 3

1.2.3数值模拟方法 4

1.2.4研究现状分析总结 4

1.3本文的主要研究内容 5

1.4具体研究方法 5

2 平头弹侵彻金属靶板的破坏模式及模型分析 7

2.1靶板的破坏模式 7

2.1.2平头弹侵彻金属靶板的主要破坏模式 7

2.1.3平头弹的冲塞现象 7

2.2平头弹侵彻靶板的模型分析 7

2.2.1动量守恒模型 7

2.2.2流体阻力模型 8

2.2.3剪切阻力模型 9

2.2.4能量守恒模型 10

2.4影响金属靶板破坏模式的主要因素 11

2.4.1弹头头部形状对靶板平破坏模式的影响 11

2.4.2靶板的厚度对靶板破坏模式的影响 12

2.4.3靶板的强度对靶板破坏模式的影响 12

3数值仿真 14

3.1 LS-DYNA简介 14

3.2模型的建立 14

3.3弹靶材料参数 15

3.4仿真结果分析 17

3.4.1侵彻过程中靶板应力和破坏模式分析 17

3.4.2侵彻过程中的理论和仿真速度分析 19

3.4.3侵彻过程中的加速度（过载）变化分析 21

3.4.4数值对比分析总结 23

4总结与展望 24

4.1全文总结 24

4.2写作中的不足和工作展望 24

参考文献 25

致谢 28

 

1 绪论

1.1研究背景和意义

穿甲和防护问题在军事领域一直是研究的重点。穿甲和防护问题的研究正如矛和盾是相辅相成。人类对穿甲和防护的认识最早可追溯到中国古代的冷兵器时代，人们用弓箭去射靶、用盾来抵挡剑和矛，士兵们身上穿着很厚的盔甲去防止兵器刺入自己的身体。这些都是典型的穿甲与防护问题，只是古代没有形成系统的科学知识。开始穿甲有关的的理论研究工作直到十九世纪初才真正开始，在拿破仑时代法国军事工程学院展开了一系列研究。从此，有关穿甲的理论知识开始慢慢形成系统体系。

穿甲力学的研究经历了三个重要的阶段，在过去五十年时间里，国内外大批科学家开始投身于穿甲研究工作中。第一阶段是二战前期，当时没有良好的试验设备，也没有相关的理论体系，科学家们只能进行大量的弹丸打靶实验，从中总结出各式各样的经验和半经验公式，利用这些经验公式去设计武器。

第二阶段是二战后，随着大量力学知识的出现，尤其是塑性动力学的发展，开始进行理论模型分析，出现了大量的分析模型，例如三阶段模型、唯象模型等。

第三阶段就是随计算机的快速发展，一些仿真软件开始出现，例如ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等，这些仿真软件很好的模拟了穿甲过程，在软件模拟穿甲过程中，通过变更一些物理参数去总结不同参数对靶的影响大小，从而更有利于设计和优化穿甲过程，从此数值仿真开始成为模拟穿甲问题简单有效的方法，穿甲防护相关问题的研究得到了快速的进步。

近期，高速撞击问题在民用中也得到了快速应用。例如，车辆厂家开始模拟研究汽车碰撞过程，从而提高汽车的安全性；玻璃生产商也开始研究高强度的防弹玻璃；军人穿的防弹衣和开的防弹车等类似的轻型装甲设计。穿甲和防护问题又得到了快速发展。

制作冷兵器的原材料经历了从石向铜再向铁的转变。随着材料领域的不断发展，穿甲和防护使用的材料也在得到了翻天覆地的进步，新型材料不断地被应用于工程领域。易生产制造和安装且强度高这些优点使得金属材料广泛应用于军事和民用防护结构。如具有重要战略价值的大型舰船、飞机和坦克等。而钢材历来是防护用具的重点研究对象，但是钢密度相对较大，一些场景受到限制。例如战争中，装甲车为了提高防弹性能把装甲越做越厚，提高防护能力的同时机动性大大降低。而铝合金密度较低，而且又很好的强度和延展性，于是铝合金也开始广泛应用于军事防护材料。国内外研究人员经过大量试验后，强度高抗弹性能优越的铝材料不断被开发出来并且得到了快速应用。

由于这个铝合金材料的广泛运用，很多的需要良好的机动性和灵活性的设备将主要架构和外层结构的主要材料换成铝合金材料，比如飞机外皮，汽车车身等。而这些设备实际使用中需要考虑在外界施加作用力时自身的抗变形和失效能力，以保护设备自身的有效性和完整性，保障设备能正常开展工作。所以说，研究金属靶板被弹丸贯穿后的破坏模式是很重要的，熟练掌握靶板的变形和穿透行为之后，将会对航空航天、交通运输、国防等工程领域各种防护结构系统的安全设计和安全评估产生深远的意义。

1.3本文的主要研究内容

本文通过理论分析和仿真模拟相结合的方法研究了三种不同厚度的铝合金靶板的平头钢弹侵彻的终点效应。主要从下面三方面进行研究：

①　阅读文献，研究国内外平头弹侵彻金属靶板的分析模型，建立弹丸及靶体的试验数学模型，进行理论分析计算。

②　用LS-DYNA仿真软件模拟子弹穿靶过程，采用仿真模拟技术对通过改变靶板厚度所提供的不同过载环境进行仿真计算，模拟分析靶板的破坏机理。同时与理论分析计算进行对比验证其有效性。

③　通过对仿真结果进行对比，找出平头弹体贯穿铝合金靶板的过载规律性。分析在不同高过载条件下弹体的过载力学特性及冲塞效应。

 

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