基本信息
- 项目名称：
- 高速碰撞下物体变形与侵彻的研究分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 细致研究在高速碰撞引起的冲击载荷作用下，各类材料的物理参数和力学性能的变化规律。为工程防护设计和武器装备设计提供依据。
- 详细介绍：
- 在紧密围绕试验的前提下，结合数学模型的建立，主要运用计算机有限元算法，实现对陶瓷、混凝土、铁、铝、铜等脆性和延性材料（及其组合情况）在冲击载荷作用下的响应进行分析。在研究过程中探索了材料单元体的失效判别条件，以及形体几何形状对冲击的影响。为工程防护设计和武器装备设计提供依据。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的 细致研究在高速碰撞引起的冲击载荷作用下，各类材料的物理参数和力学性能的变化规律。为工程防护设计和武器装备设计提供依据。 基本思路 通过实验和数学模型的手段，主要运用计算机实现对陶瓷、混凝土、铁、铝、铜等脆性和延性材料（及其组合情况）在冲击载荷作用下的响应进行分析。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性 数学模型结果与现有的试验结果较为吻合，数学模型能清晰描述碰撞过程中物体性能变化规律。 先进性及独特之处 研究采用非线性动力学程序代码。在准确揭示材料在冲击载荷下的宏观规律同时，还细致描述了材料内部的细观变化过程。在此基础之上完成的对各类材料在冲击荷载下的各项性能指标与原始的实验手段相比，具有更节省成本、减小实验变差系数和理论与实践结合更紧密的优点。
应用价值和现实意义
- 现实意义 随着对大规模杀伤性武器的制约，常规武器性能的提高开始受到重视。以往的研究是在实验上的总结，其耗资巨大，可重复性差。近年来数值技术在一定程度上为该课题的研究提供新的平台。 应用价值 课题在拉氏方法研究的基础上，创新性的应用两种适用于流体的计算方式：二阶多物质ALE算法；和光滑粒子流体动力学方法SPH。为金属的塑性变形和脆性材料的破裂研究提供了新的方法和思路。
学术论文摘要
- 摘要 高速碰撞问题一直是军工与民用领域研究的一个重点课题对于实际的武器设计和抗冲击防护有着极其重要的实际意义。本文在基于有限元方法的平台上，运用中心差分法计算穿甲力学。 本文首先介绍了国内外穿甲力学的发展概况， 随后对数值计算的原理加以阐述，接着再几种常见材料在数值计算方面的本构关系予以仔细描述。 通过对靶板和弹丸的细致网格划分，再考虑单元间的应力应变关系和单元体的失效机制，可以较为准确的分析出弹丸穿甲的全过程。此方法打破了传统穿甲力学的实物试验和半经验理论推导，且计算结果与试验结果非常接近，有很强的推广意义。通过此方法可以系统的研究侵彻过程的力学性能，同时也为工程安全提供了新的思路。
获奖情况
- 《Numerical Simulation of Local Response of Ship In UnderwateExplosive Shock》国际会议(ICMIC 2011)——IEEE/EI 《Numerical simulation of Ellipsoid Shaped Charge penetrating Concrete 》国际会议(ICMIC 2011)——IEEE/EI 2010年9月《弹丸初速度对侵彻双层钢板影响的数值模拟》在核心期刊《四川兵工学报》发表 2011年2月《卵形弹头子弹侵彻铝-铁双层靶的数值分析》在核心期刊《四川兵工学报》发表 2011年3月《锥头弹弹尖角度对侵彻效果影响的数值分析》在核心期刊《四川兵工学报》发表 2011年4月《土壤内爆炸冲击下混凝土路面响应的数值分析》在核心期刊《四川兵工学报》发表 2010年5月《球形头部弹丸侵彻极限深度问题的数值模拟》在核心期刊《四川兵工学报》发表 2010年6月《聚能射流侵彻混凝土靶板的数值模拟研究》在核心期刊《四川兵工学报》发表
鉴定结果
- 荣获校级“挑战杯”选拔赛一等奖 荣获省级“挑战杯”选拔赛一等奖 荣获省级物理及试验科技创新竞赛一等奖
参考文献
- [1] Broadhouse,B.J.&Attwood,G.J.1993.Finite element analysis of the impact response of reinforced concrete structures using dyna3d.Presented at 12th International conference on Structural Mechanics in Reactor Technology,University of Stuttgart,Germany [2] Broadhouse,B.J.1995.The winfrith concrete model in lsdyna3d.Rep.SPD/D(95)363,Structural Performance Department,AEA Technology,Winfrith Technology Centre [3] 谭多望等，大锥角聚能射流试验研究[J].高压物理学报.2003.9 [4] 王静等，射流侵彻混凝土靶的靶体阻力计算模型与数值模拟研究[J]兵工学报.2008.12 [5] 朱峰，朱卫华等，弹丸初速度对侵彻双层钢板影响的数值模拟[J].四川兵工学报.2010.9 [6] 程兴旺，王富耻等，不同头部形状长杆弹侵彻过程的数值模拟[J].兵工学报.2007.8
同类课题研究水平概述
- 国际主流研究方向： 金属类材料： 45 号或 35 号普通碳钢 特种高强碳钢（掺有其它微量元素） 60xx 系列超硬铝 70xx 系列超硬铝 钛合金 非金属类材料： 各种型号的普通混凝土 掺有其它材料的特种混凝土 各类高强陶瓷材料 叠成状织物材料 子弹外形： 平头子弹 锥状头部子弹 异形子弹 子母弹 金属射流 侵彻方式： 正面侵彻 斜向侵彻 弹身在侵彻过程中带有一定程度的旋转 实际应用： 常规的枪械子弹对普通装甲和防御工事的侵彻 机载武器的长杆弹对厚层装甲的高效侵入 穿地弹的穿彻深度的地下建筑的影响 导弹战斗部的前级聚能装药 水体对武器水下发射后运动情况的影响 快速燃烧、爆炸材料在介质中有阻碍或无阻碍的压力传播过程 计算方法： Lagrange方法 Eular方法 ALE方法 SPH等无网格方法
