摘要
一方面，新型长杆弹芯结构及其材料参数的设计与优化是有效提高弹体侵彻性能的主要技术途径之一；另一方面，随着新一代作战平台的出现，武器弹药的发射速度将提升至1800-3500m/s的范围，因此系统研究新型结构长杆弹芯从低速到超高速侵彻半无限厚金属靶时的毁伤机理、破坏模式和侵彻性能具有重要的工程意义。同时，弹靶冲击侵彻过程涉及到穿甲力学、终点弹道学、高压物理学和断裂力学等学科内容，对其进行研究还具有重要的科学意义。本文针对夹心长杆弹芯和轴向非均质长杆弹芯的设计与制备、在侵彻过程中的破坏模式和失效机理及其侵彻性能、理论计算模型等方面开展了较为全面和系统的研究。本文的研究内容主要有以下几个方面： 1.夹心弹侵彻半无限钢靶的研究 针对国内外目前关于夹心长杆弹研究的不足（主要集中在1.6km/s和2.5km/s附近），本文将速度跨度扩展到0.9-3.3km/s，从材料角度，优选了两种新外套材料夹心长杆弹（1060铝和TC4钛合金外套，93W核心），结合试验和数值仿真结果对比分析了两类长杆弹以不同速度侵彻4340钢靶的破坏模式和失效机理，讨论了入射速度、入射动能和夹心弹外套材料属性（厚度、密度和强度）对弹体侵彻性能的影响。研究结果表明：均质钨合金弹芯呈现出典型的“蘑菇头”失效；特别地，当入射速度为936m/s时，数值仿真结果显示93W/1060Al夹心弹在侵彻早期表现为“bi-erosion”失效，却在侵彻后期转变成了“co-erosion”失效；而在其他试验速度条件下，两种夹心弹均呈现出“co-erosion”失效。当入射速度小于1650m/s时，夹心弹的侵彻性能显著小于外形尺寸相同的均质钨合金弹芯，而略低于钨合金核心；当入射速度超过2000m/s时，夹心弹的侵彻性能与外形尺寸相同的均质钨合金弹芯相同，却超过了钨合金核心。然而，初始入射动能较小时，夹心弹的侵彻性能显著优于外形尺寸相同的均质钨合金弹芯；但是这种优势随着初始入射动能的增大而逐渐减小。另外，外套厚度和密度的影响较小，外套强度对夹心弹的侵彻性能影响显著，强度越小，弹体的侵彻性能越好。 2.轴向非均质长杆弹芯的设计与制备 本文提出了轴向非均质长杆弹芯的概念（即自头部向尾部由几种强度不同的材料层复合而成的弹体），而后基于均质长杆弹芯侵彻半无限靶理论进行了弹体结构设计，并确定了弹体材料（分别为40CrNiMoA钢、Q490钢和Q235钢），同时采用爆炸焊接等方法进行了弹芯的制备，获得了三种弹头形状的轴向非均质长杆弹芯。爆炸焊接试验之后，对构成轴向非均质长杆弹芯的三种弹体材料和靶体材料的静态和动态力学性能进行了试验研究，并拟合得到了几种材料的Johnson-Cook本构模型参数。 3.轴向非均质长杆弹芯侵彻半无限铝合金靶的研究 针对制备的三种弹头形状的轴向非均质长杆弹芯，在较大速度范围（0.7-3.2km/s）内，结合系列试验和数值仿真结果分析了弹体在不同速度段下的破坏模式及其失效机理的差异性，讨论了入射速度、弹头形状和弹体结构对其侵彻性能的影响规律，并将其失效机理和侵彻性能与均质长杆弹芯进行了对比分析。研究结果表明：均质Q235钢长杆弹芯在侵彻过程中始终呈现出销蚀侵彻状态，而轴向非均质长杆弹芯则随着入射速度的增大依次呈现出三种失效模式，即变形非销蚀侵彻、变形加销蚀侵彻和销蚀侵彻。入射速度对轴向非均质长杆弹芯的侵彻性能影响巨大，尤其是在中低速度段(700-1150m/s)，其大小的改变将引起弹体破坏模式和失效机理的显著变化。在试验速度范围内，截卵形弹头轴向非均质长杆弹芯的侵彻性能最好，而弹头形状为半球形时，弹体的侵彻性能最差，即更加尖锐的弹头形状有利于提升弹体的侵彻性能；轴向非均质长杆弹的侵彻性能较Q235钢均质长杆弹有很大提升，比如，截卵头轴向非均质长杆弹芯的侵彻性能较Q235钢均质弹芯提升了35%-510%。在高速段（gt;2.0km/s），其侵彻性能与高强度均质长杆弹芯基本相同，说明本文提出的这种复合结构有利于提升弹体的侵彻性能。 4.开坑大小及侵彻深度预测理论模型 针对夹心长杆弹，首先结合试验和仿真结果对现有夹心长杆弹开坑模型进行了对比验证和分析，发现引入夹心弹核心和外套材料的强度和密度参数能很好地预测弹体开坑大小。其次，修正了夹心长杆弹侵彻深度模型，提出了外套材料有效横截面积的概念，使等效处理后的夹心弹等效强度和密度与均质钨合金长杆弹的强度和密度更接近，且采用修正的侵彻深度模型预测的两种夹心长杆弹在较大速度跨度（0.9-3.3km/s）内的侵彻深度与试验数据吻合良好。另外，将均质长杆弹侵彻深度预测模型应用到了轴向非均质长杆弹垂直侵彻半无限铝合金靶中，预测侵彻深度曲线与试验数据吻合良好，较准确地反映了弹体在不同失效模式下的侵彻深度随入射速度的变化趋势。
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