早在两百多年前,Robbins与Euler两人就已经对侵彻的相关理论开展了研究,当时是利用弹体撞击靶板的实验模型,并在分析结果的基础上提出了侵彻的经验公式。二十世纪四十年代前后,英国力学研究学家GL. Taylor提出了屈服强度测定的标准以及弹塑性扩孔理论。此后,人们在此基础之上对其展开了进一步的研究,并获得了不少研究成果。在此期间,人们侧重于目标失效模式的研究,并根据实验结果建立了多种有效的分析理论。27663
自1960年以来,随着混凝土等各类材料的大量使用,对各种材料尤其是混凝土材料的侵彻引起了普遍的关注,侵彻的现象和相关理论前所未有的得到了人们的重视。LANL (洛斯阿拉莫斯国家实验室)、WES (陆军工兵水道实验站)和SNL(美国桑迪亚国家实验室)等科研单位和相关的研究机构均进行了大量的实验测试,得到了数千次的测试结果以及非常完整和宝贵的原始数据。在70年代前后,世界各地的研究人员都主要侧重在理解弹丸穿透目标体的这个现象之上,在对所获得的数据进行处理拟合后得到了诸多可以用来预测侵彻深度大小的计算公式。除了开展大量的实验以外,人们还研究了侵彻的相关理论,建立了空腔膨胀理论(包括柱形和球形空膨胀理论),并将其应用至侵彻的过程之中,具有一定的工程应用价值。论文网
80年代以来,钻地武器得到了迅速的发展并应用到了实战之中,其在实战中对目标掩体良好的侵彻效果,引起了人们的关注,并意识到对侵彻问题开展研究的紧迫性。在这一时期,人们进行了弹体对靶板的侵彻试验,针对混凝土靶板提出了大量的本构模型。在数值模拟方面,随着计算机的快速发展而开发了众多的仿真模拟软件,使得对侵彻问题的研究达到了一个新的高度。此外,随着近些年核电技术的迅速发展,核电站的混凝土需要避免由意外因素和导弹袭击造成的破坏,从某种程度上加速了人们对混凝土侵彻碰撞的研究分析。
1980年,P.O.Degen在对他人实验数据的基础上进行分析,提出了一个公式来计算穿透极限深度[1];W.S.Chang(1981)简化了混凝土冲击模型,将应用力学理论和贝叶斯统计分析两者相结合,对所得的测试数据进行分析,得道了圆柱形钢质侵彻混凝土板的穿透深度的公式,并提出了靶板的痂斑平均厚度的计算公式[2];A.Haldar等人(1982,1984)对之前众人的数据收集和分析后,提出穿透深度的估计公式[3-4]。
20世纪70年代以来,数值仿真技术由国外传至国内,南理工、北理工、中科院力学所、中科大、国防科大等国防科研单位先后开展了侵彻问题的数值模拟,在国外仿真试验的基础上,取得了新的突破,并得到了丰富的科研成果。
李永池采用新发展改进的数值软件,并嵌入含损伤的混凝土本构模型和新的材料单元破坏准则,对卵形弹丸侵彻混凝土靶的过程进行了二文数值模拟,并讨论了有关的计算结果,计算结果和实验结果的良好符合表明,其力学模型、计算方法和数值软件是成功的[5]。
林华令等利用动力学计算软件AUTODYN一2D,采用拉格朗日网格描述弹、靶模型,对弹径比为0.3、直径为75 mm、长225 mm的卵形弹垂直侵彻直径为1.6 m、厚度为2 m的混凝土靶板的过程进行了数值模拟,设置了静水压和主应力2种拉伸失效模式、不同的混凝土靶板网格尺寸以及不同的销蚀应变分别进行计算,考察以上因素对侵彻深度及靶板前表面损伤面积计算结果的影响 [6]。
经过长期的研究和实验,人们发现不同的研究方法都各有其优点:经验法需要进行大量的侵彻实验来获得实验数据,并开展分析,其可靠性高,但成本昂贵,时间较长;数值法采用计算机仿真模拟,效率高,周期短,成本低廉,结果精确,但难以找到与实际材料相符的本构模型;理论分析法简化了各个模型,尽管能确保侵彻的基本结果,但难以获取准确的侵彻数据。因此,目前人们更多的是将多种方法有机地进行结合,并将其应用到侵彻问题上。利用理论分析法,可以在简化模型的基础上,建立能够体现出弹丸侵彻靶板结果的数学模型,为钻地弹的结构和形状设计和研究提供理论的依据。利用经验法可以对弹体形状和结构进行初步的设计,在数值模拟后对外形进行修改和完善,加快对全弹的设计过程。此外,通过经验法可以得到大量的测试数据,在分析推测出侵彻公式之外,还可以给理论法和数值模拟方法提供参考和借鉴。通过数值模拟的方法,可以得到十分准确的结果,在获得系统中各个对象应力、应变的基础上得到其速度、加速度和破坏曲面的形状,对之后建模和修改经验公式可以提供参考。
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