一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，根据战斗部和防护结构的具体情况，确定弹体与靶板的几何尺寸和材料参数；确定弹道极限速度附近靶板的变形位移场；根据弹体和靶板的变形破坏特征，计算弹体和靶板的变形能：弹体和靶板的变形能包括弹体的塑性变形能、剪切冲塞能、靶板的塑性变形能，弹体的塑性变形能主要为弹体的墩粗变形所消耗的能量；基于能量守恒原理确定平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度。本发明专利技术方法对靶板的弹道极限速度进行有效预测，以判断弹体能否穿透靶板或者靶板是否能够实现对弹体的有效阻拦，也能为弹道冲击实验或数值仿真方法提供有效参考以减少实验次数或仿真计算时间。

A calculation method for the ballistic limit velocity of a flat sheet projectile under low speed and positive penetration

The invention relates to a method for calculating the ballistic limit velocity of thin steel plate a wadcutter is low under penetration, according to the specific circumstances of the warhead and protective structure, determine the geometry and material parameters of the projectile and target board; determine the displacement field near the ballistic limit velocity of target; according to the deformation characteristics of projectile and target. The calculation of deformation of projectile and target: deformation of the projectile and target plate can include the projectile energy of plastic deformation, shear plugging, plastic deformation plate, plastic deformation energy is mainly consumed by the deformation of pier missile projectile energy; ballistic limit velocity wadcutter is invaded penetration of steel sheets under determined based on the principle of energy conservation. The method of the invention of the ballistic limit velocity of target effectively, to determine whether the projectile penetrating target or target whether can effectively block the body, but also can effectively reduce the number of experiments or reference to simulation time for ballistic impact experiments and numerical simulation method.

【技术实现步骤摘要】
一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法
本专利技术涉及毁伤和防护
，具体涉及一种基于能量法求解弹道极限速度的理论计算方法。
技术介绍
穿甲侵彻过程是非常复杂的力学行为，弹靶相互作用的影响因素较多，例如弹体形状，弹靶材料强度比，弹径与板厚比，弹体速度等，不同条件下弹体的侵彻性能和靶板的失效模式存在较大差别。弹道极限速度是判断弹体能否穿透靶板的依据，在毁伤及防护领域均具有重要意义。当弹体初始速度大于弹道极限速度时，弹体能够穿透靶板；当初始速度小于弹道极限速度时，弹体则不能穿透靶板，因此弹道极限速度对防护结构的设计起着关键作用。在防护领域，许多核心任务就是假定战斗部初始速度一定，设计有效的防护装甲结构以实现对战斗部的有效阻拦，其中的关键技术就是设计有效的阻拦结构使得弹道极限速度大于战斗部的初始速度，从而保证战斗部无法穿透靶板。因而对弹道极限速度进行有效评估至关重要。目前针对平头弹正侵彻下靶板的弹道极限速度评估主要采用弹道冲击实验或者数值仿真方法。然而弹道冲击实验需要消耗巨大的人力和物力资源；而数值仿真方法则需耗费大量的计算资源和时间，且由于有限元仿真计算过程受网格大小的影响较大，其弹体和靶板材料模型的不确定性，因此其计算精确度和可靠性需要进一步验证。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，它是一种基于能量守恒原理的理论计算方法，能较好地预测弹体正侵彻下靶板的弹道极限速度，以判断弹体能否穿透靶板或者靶板是否能够实现对弹体的有效阻拦。本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，包括以下步骤：步骤1，根据战斗部和防护结构的具体情况，确定弹体与靶板的几何尺寸和材料参数；步骤2，确定弹道极限速度附近靶板的变形位移场；步骤3，根据弹体和靶板的变形破坏特征，计算弹体和靶板的变形能：弹体和靶板的变形能包括弹体的塑性变形能Epp、弹靶作用过程中的剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp，其中弹体的塑性变形能Epp主要为弹体的墩粗变形所消耗的能量；步骤4，基于能量守恒原理确定平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度：根据能量守恒原理，即弹体在侵彻靶板前的动能等于弹体侵彻靶板后弹体与冲塞块的动能、弹体的塑性变形能Epp、剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp之和，建立关于平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度的方程式，并求解弹道极限速度。上述方案中，步骤1中所述的弹体与靶板的几何尺寸包括实心弹体长度l0，弹体直径dp，靶板厚度ht；材料参数包括弹体材料的密度ρp、弹性模量Ep、泊松比νp、准静态屈服强度σ0p、失效应变εfp，以及靶板材料的密度ρt、弹性模量Et、泊松比νt、准静态屈服强度σ0t、失效应变εft。上述方案中，步骤2中所述的弹道极限速度附近靶板的变形位移场参考文献《球头弹丸速冲击下薄板大变形的理论计算》(该文献于2012年发表于《华中科技大学学报(自然科学版)》)中的位移场，其变形位移相对于撞击中心完全轴对称，其大小与点到撞击中心的距离相关，变形位移场的表达式为：式中：w0为变形位移场的幅值，单位为mm；r为点到撞击中心的距离，单位为mm；rp为弹体半径，单位为mm；a为拟合系数，单位为m-1。变形位移场的幅值w0为靶板材料失效应变的函数：式中：εft为靶板材料的失效应变，a为拟合系数，单位为m-1。在薄板范围内，变形位移场的拟合系数a为靶板厚度的函数：a＝C/ht(3)式中：ht为靶板厚度，单位为mm；C为固定常数，可近似取为160。上述方案中，步骤3中所述的弹体墩粗变形所消耗的能量为：Epp＝1/4πdp2σdple(4)式中：dp为弹体直径，σdp为弹体动态屈服应力，le为弹体塑性区长度。文献《柱形平头弹墩粗变形的理论》针对柱形平头弹墩粗变形的理论分析给出了考虑弹体与靶板同时变形的弹体塑性区长度，文献指出随着λ值的增大，弹体最终的变形区长度随之增加，最后趋于稳定，如图2所示，其中纵坐标为无因次变量le/l0，l0为弹体原长度；横坐标为无量纲参量λ，由弹体初始速度和弹体及靶板的特性确定，λ值为：式中，ρp为弹体密度，v0为弹体的初始速度，σdp为弹体动态屈服应力，k值为：式中，ρp和ρt分别为弹体与靶板的密度，cp和ct分别为弹靶中的应力波速，其表达式为Ep和Et分别为弹体与靶板的弹性模量。图2对应的表格如表1所示：表1λ0.030.1250.250.3750.50.6250.750.87511.1251.25le/l00.0830.1100.1240.1340.1420.1450.1450.1470.1480.1490.150λ1.3751.51.6251.751.87522.1252.252.3752.5le/l00.1500.1500.1510.1510.1510.1510.1510.1510.1510.151上述方案中，步骤3中所述的弹靶作用过程中的剪切冲塞能为：Es＝2πreτdthtδs(7)式中：re为环形剪切带的半径，τdt为靶板的动态剪切强度，ht为靶板厚度，δs为剪切带宽度。环形剪切带的半径re可取弹体半径：re＝0.5dp(8)式中：dp为弹体直径。靶板的动态剪切强度τdt为：τdt＝0.5σdt(9)式中：σdt为靶板的动态屈服强度。剪切带宽度δs为：式中：ht为靶板厚度。上述方案中，步骤3中所述的弹靶作用过程中靶板的塑性变性能Etp主要为非接触区靶板的碟形变形所消耗的能量，其由三部分组成：Etp＝Erb+Eθb+Erm(11)式中：Erb为径向弯曲变形能，Eθb为环形弯曲变形能，Erm为径向拉伸应变能。径向弯曲变形能Erb，环形弯曲变形能Eθb，径向拉伸应变能Erm相应的表达式依次为：式中：rp为弹体半径，rj为侵彻过程结束时塑性铰距撞击中心的距离，M为非接触区靶板单位长度的动态极限弯矩，kr为非接触区的径向曲率，kθ为非接触区的环向曲率，εr为靶板的径向应变，σdt为靶板的动态屈服强度，r为点到撞击中心的距离。M为非接触区靶板单位长度的动态极限弯矩，其表达式为：M＝0.25ht2σdt(15)式中：σdt为靶板的动态屈服强度，ht为靶板厚度。根据薄板大变形假定，其中kr，kθ，εr的表达式分别为：式中：w为靶板的变形位移场函数，r为点到撞击中心的距离。将变形位移场式(1)代入式(16)的各个表达式中，得到相应曲率与应变的表达式为：再将式(15)、(17)、(18)、(19)代入式(12)、(13)、(14)中，得到相应变形能的表达式为：靶板材料的动态屈服强度采用Cowper-Symonds模型(该模型出自于文献《舰船结构毁伤力学》)：式中：σ0t为靶板的准静态屈服强度，D为40.4s-1，q为5，为应变率，的取值参考非接触区靶板的径向平均应变率式中：v0为弹体的初始速度，a为拟合系数，单位为m-1，w0为变形位移场的幅值，单位为mm；rp为弹体半径，rj为侵彻过程结束时塑性铰距撞击中心的距离。侵彻过程结束时塑性铰距撞击中心的距离rj较难从理论上得到相关解析解，但根据实际经验，低速侵彻下十倍弹径外靶板的变形大小几乎为零，相应地靶板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据战斗部和防护结构的具体情况，确定弹体与靶板的几何尺寸和材料参数；步骤2，确定弹道极限速度附近靶板的变形位移场；步骤3，根据弹体和靶板的变形破坏特征，计算弹体和靶板的变形能：弹体和靶板的变形能包括弹体的塑性变形能Epp、弹靶作用过程中的剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp，所述弹体的塑性变形能Epp主要为弹体的墩粗变形所消耗的能量；步骤4，基于能量守恒原理确定平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度：根据能量守恒原理，即弹体在侵彻靶板前的动能等于弹体侵彻靶板后弹体与冲塞块的动能、弹体的塑性变形能Epp、剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp之和，建立关于平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度的方程式，并求解弹道极限速度。

【技术特征摘要】
1.一种平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据战斗部和防护结构的具体情况，确定弹体与靶板的几何尺寸和材料参数；步骤2，确定弹道极限速度附近靶板的变形位移场；步骤3，根据弹体和靶板的变形破坏特征，计算弹体和靶板的变形能：弹体和靶板的变形能包括弹体的塑性变形能Epp、弹靶作用过程中的剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp，所述弹体的塑性变形能Epp主要为弹体的墩粗变形所消耗的能量；步骤4，基于能量守恒原理确定平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度：根据能量守恒原理，即弹体在侵彻靶板前的动能等于弹体侵彻靶板后弹体与冲塞块的动能、弹体的塑性变形能Epp、剪切冲塞能Es、靶板的塑性变形能Etp之和，建立关于平头弹正侵彻下薄钢板的弹道极限速度的方程式，并求解弹道极限速度。2.根据权利要求1所述的平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，步骤1中所述的弹体与靶板的几何尺寸包括弹体长度l0，弹体直径dp，靶板厚度ht；弹体与靶板的材料参数包括弹体材料的密度ρp、弹性模量Ep、泊松比νp、准静态屈服强度σ0p、失效应变εfp，以及靶板材料的密度ρt、弹性模量Et、泊松比νt、准静态屈服强度σ0t、失效应变εft。3.根据权利要求1所述的平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，步骤2中所述的弹道极限速度附近靶板的变形位移场的表达式为：式中：w0为变形位移场的幅值，单位为mm；r为点到撞击中心的距离，单位为mm；rp为弹体的外半径，单位为mm；a为拟合系数，单位为m-1。4.根据权利要求1所述的平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，步骤3中所述的弹体的塑性变形能Epp的表达式为：Epp＝1/4πdp2σdple(4)式中：dp为弹体直径，σdp为弹体动态屈服应力，le为弹体塑性区长度。5.根据权利要求1所述的平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，步骤3中所述的弹靶作用过程中的剪切冲塞能Es为：Es＝2πreτdthtδs(5)式中：re为环形剪切带的半径，τdt为靶板的动态剪切强度，ht靶板厚度，δs为剪切带宽度。6.根据权利要求1所述的平头弹低速正侵彻下薄钢板弹道极限速度的计算方法，其特征在于，步骤3中所述的靶板的塑性变性能Etp主要为非接触区靶板的碟形变形所消耗的能量，其由三部分组成：Etp＝Erb+Eθb+Erm(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长海，徐伟，侯海量，李茂，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42