弹丸撞击问题的FE-SPH耦合模拟

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有关矛利盾坚的研究已经经历了两个多世纪的发展,从最初的实验到经验公式的总结,再到理论方法的提出,直至如今实验、理论与数值模拟相结合的研究方法,凝结了无数力学工作者的心血,也取得了巨大的成就。在数值模拟方面,有限元方法在过去几十年中已经成为计算力学领域中解决工程问题的主要数值方法,而无网格方法在处理极度大变形、裂纹扩展、流固耦合和界面不连续等问题时具有明显的优势。譬如SPH方法特别适用于求解高速碰撞引起的大变形问题,在近三十年的发展中获得了巨大的成功。结合有限元方法进行FE-SPH耦合模拟有效地解决了单纯SPH方法需要进行大量的粒子搜索而造成的计算费用过高问题,既可以有效地处理大变形问题,又可以控制计算费用,成为近年来的研究热点。 本文针对一种截锥形弹体撞击金属薄靶实验进行了FE-SPH耦合模拟,分析了正撞击和三种不同角度斜撞击实验中出现的现象。FE-SPH耦合方法成功地模拟出正撞击中金属靶的整体花瓣变形、低斜角撞击中的起唇现象和高斜角撞击中的前后花瓣变形,获得了与实验现象相一致的计算结果。同时,FE-SPH耦合模拟出的截锥形弹体在穿靶过程中的运动轨迹也与实验现象保持了一致。 随着国防科技的进步,导弹的威力和精确度都有了显著提高。现代化战争尤其是阿富汗战争和伊拉克战争表明,精确打击和足够的杀伤力固然重要,但对军事目标以外的目标尤其是平民的伤害引起了反战人士和团体的强烈反应。因此,国防科技部门需要研究先进武器以满足如下两个要求:一是减少对预定目标之外的间接伤害,二是增强对靶目标的毁伤效应。以碳纤维复合材料代替金属作为弹丸外壳可以起到增加装填比的作用,在爆炸时复合材料会被炸成细小的碎片散落在爆炸近场,不会发生飞溅伤人事故,基本能够满足上述两个要求。本文针对这种新型弹丸开展了正侵彻和30°斜侵彻实验,并针对实验状态进行了FE-SPH耦合模拟,实验研究和数值分析都表明复合材料代替金属材料作为弹体外壳后能够满足强度要求,并保证弹体具备较强的侵彻能力,而胶粘剂的韧性和粘接工艺会直接影响到弹丸的运动和侵彻能力。
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