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超高速碰撞材料毁伤效应研究进展

归档日期:07-01       文本归类:毁伤效应      文章编辑:爱尚语录

  兵器材料科学与工程ORDNANCE MATERIAL SCIENCE ENGINEERINGVol.37 No.5 Sept., 2014 网络出版时间:2014/9/10 16:37 网络出版地址:超高速碰撞材料毁伤效应研究进展 (总参工程兵科研三所,河南洛阳 471023) 超高速动能武器的快速发展,使武器弹药的打击效能大幅提高,超高速碰撞毁伤效应研究已成为武器弹药研制和目标防护的研究重点。对国内外混凝土、岩石、金属和复合材料的超高速碰撞毁伤效应研究现状进行概述,分析了超高 速动能武器的发展趋势,对超高速碰撞毁伤效应研究中存在的问题进行总结,在此基础上,探讨了超高速碰撞毁伤效应 未来的研究重点。 关键词 超高速碰撞;毁伤效应;混凝土;岩石 中图分类号 E920.8 文献标志码 文章编号1004-244X(2014)05-0133-08 Research development materialsdamage effect under hypervelocity mpactYANG Yi,LI Xiaojun,ZHU Daming,WU Bi ao ThirdEngineer Scientific Research Institute heGeneral Staff,Luoyang 471023,China) Abstract blowefficiency enhancedbecause fastdevelopment hypervelocitykinetic energy weapons,the damage effect hypervelocityimpact has become majorstudy aspect ammunitionresearch targetsprotection. researchstatus damageeffect hypervelocityimpact developmenttrend hypervelocityki netic energy weapons researchareas damageeffect hypervelocityimpact discussed heproblems exiting currentresearch. Key words hypervelocity impact;damage effect;concrete;rock 所谓超高速碰撞是指冲击压力远远超过材料屈服 强度的撞击过程,例如星体碰撞、空间碎片与飞行器的 碰撞等 。超高速碰撞过程中,靶体材料发生大的塑性变形、断裂、融化、汽化等复杂过程 。超高速碰撞研究源于工程应用的实际需求,同时随着工程应用的 深入而不断发展。超高速动能武器对目标产生的超高 速碰撞毁伤效应与低速碰撞、高速碰撞存在显著区别, 超高速动能武器具有强大的动能,与目标碰撞后产生 的热辐射和冲击波将对目标造成毁灭性毁伤 [3-8] 超高速碰撞毁伤效应研究进展超高速动能武器对目标产生的超高速碰撞毁伤效 应与低速碰撞、高速碰撞存在显著区别。低速碰撞时, 目标的破坏效应属于结构动力学范畴,弹丸对目标的 收稿日期:2013-11-07;修回日期:2014-05-23 作者简介:杨益,男,助理研究员;从事防护材 料及其毁伤效应的研究。E-mail:。 Japanese Welding Research Institute,1990,19(1):45-49. [34]康慧,胡刚,赵鹏飞,等. Sn,Ga Al-Ti 异种合金真空钎焊 的影响[J]. 焊接,2001(6):13-17. [35]赵鹏飞,康慧. Al-Ti 异种合金真空钎焊的研究[J]. 材料工 程,2001(4):25-28. [36]Davis ASMmetals handbook,welding,brazing sol⁃dering[M]. ASM Intermational,Metals Park,Ohio:1993 [37]徐国庆,曾岗,牛济泰,等. Al /Ti 的扩散焊工艺[J]. 焊接, 2000(3):21-24. [38]Ren Microstructure characteri sti cs heinterface zone Ti/Al diff usion bonding[J]. Materials Let TC4钛合金与 2A12 铝合金超声钎焊接头 组织及性能研究[J]. 焊接,2010(1):33-35. [39]Kahraman N,Gulenc B,Findik microstructuralaspects dissimilarjoints Alplates[J]. nternational Journal ImpactEngi neering, 2007,34(8):1423-1432. 铝-钛电阻点焊连接特征的研究[J].材料 工程,1991(4):39-41. 134 兵器材料科学与工程 。超高速动能武器的毁伤现象包括成坑、地震动和地冲击,与化学爆炸具有相似之处,但毁伤机理和毁 伤方式都存在很大差异 [10] ,具体表现为:1)对速度的敏 感性;2)与常规炸药爆炸相比,能量释放模式不同 [11] 3)地冲击特性不同[12] ;4)存在显著的电磁效应 [13] 碰撞速度外,靶体材质是影响超高速碰撞毁伤效应的主要因素之一。 1.1 混凝土材料 混凝土作为城市建筑和防护结构最常用的建筑材 料,研究其在超高速撞击下的破坏效应具有重要意 义。由于实验手段的限制,目前国内外关于混凝土侵 彻及碰撞破坏问题的研究大多集中在 1.5 km/s 以下, 混凝土超高速碰撞破坏效应的研究比较少,但是国外 钢筋混凝土靶超高速碰撞破坏结果[15] Fig.1 Damage results reinforcedconcrete targets hypervelocityimpact [15] 钢筋混凝土靶体毁伤数值模拟结果[15] [15] 已经开展了相关研究。美国陆军研究实验室 Zielinski [14]对混凝土材料的超高速碰撞侵彻问题进行了试验 研究。试验结果表明:超高速弹丸撞击混凝土靶产生 的破坏要高于同等能量的常规速度撞击,随着弹丸着 靶速度增大(弹丸质量保持不变),横向作用得到加强, 对钢筋混凝土靶板的毁伤程度越来越严重;试验数据 显示,在常规速度范围内,靶板质量损失在 20%以内, 在超高速情况下,质量损失则超过 50%,而且速度越 高,质量损失比例越大,从而使目标丧失使用功能。 Dawson [15]在陆军研究实验室研究的基础上,进行了 更深入的研究。研究认为,钢筋对靶板体积损失影响 不明显,弹丸高速侵彻靶体产生的侵彻孔大小受侵彻 速度影响明显,而受靶体强度的影响不大。另外,靶体 毁伤受表面剥落影响较为明显,若靶体为厚靶,靶板体 积损失将显著减小,试验中混凝土靶体的毁伤情况,如 所示。张凤国等[16] 用二维拉格朗日弹塑性流体力学计算程序LTZ-2D,分 析了超高速钨合金长杆弹侵彻混凝土靶板的过程及靶 板的损伤破坏情况。计算结果表明,与低速侵彻规律 不同,截卵形弹头以及较大的长径比更有利于弹体对 靶板的侵彻,但对混凝土靶板造成的损伤相对较小,弧 度较小的弹头虽然侵彻能力较差,但是由于在弹体着靶 Fig. Simulation result dama ge reinf orce concrete ta rget 瞬间所形成的冲击大,因而对靶板造成的损伤更严重。由于混凝土材料具有显著的各向异性,在超高速碰 过程中,存在复杂的界面相互作用和相变,因而当前对混凝土材料的超高速碰撞毁伤效应研究主要集中于宏 观毁伤现象的定性分析以及毁伤过程的数值模拟研究。 1.2 岩石材料 岩石超高速破坏效应研究源于人们对天体撞击现 研究和快速、高效的岩石切割及挖掘技术的需求。从上 世纪 60 年代开始,美国宇航局艾姆斯研究中心开 武岩、砂岩、白云石和软玉的超高速碰撞现象研究。岩石 材料在超高速碰撞过程中,形成的破坏模式 主要有剪切 断裂、辐射断裂、剥落破碎、同心破裂。这 些破坏模式主 要是由于弹体材料变形以及岩石靶体的 挤压、剪切、冲 击破片的抛掷以及拉伸破坏形成的非抛 射破片等因素综合 形成的。 Hoert [17]研究了干、湿砂岩超高速碰撞时的抛 出物动力学,在超高速碰撞条件下,砂岩抛出物的高速 图,如图 [18]对岩石超高速碰撞的能量 分布情况进行研究,弹丸的动能主要转变为弹丸和靶 体的不可逆变形及热能、破碎、碎片抛掷、残余弹性波 及发光等,能量的具体分配情况,见表 破坏由局部侵彻和目标结构变形效应耦合而成;较高碰撞速度下,碰撞点附近区域靶体材料的破坏特性主 要由材料密度和强度主导,结构效应退居次要地位;超 高速碰撞时,目标的破坏效应主要受材料的惯性效应、 可压缩效应及相变效应影响;在极高速碰撞速度下,目 标撞击区的能量沉积速度很快,甚至发生汽化爆炸现 b—薄的平面剥落c—圆锥剥落 d—贯穿 杨益等:超高速碰撞材料毁伤效应研究进展135 砂岩抛出物的高速图Fig.3 High⁃speed images ejectedmatter 岩石超高速碰撞弹丸能量的消耗分配Table1 Energy distribution projectileimpacting rock hypervelocity外的研究还比较少 [21] Walker[22] 对厚陶瓷靶的超高速侵彻进行分析模 拟,模拟分析了 AlN)并与碰撞速度为 1.5~4.5 km/s 的大量试验数据进行对比。加 利福尼亚大学洛杉矶分校的 Zhang [23]在大型并行计 算机上利用 54010 铝陶瓷超高速碰撞的变形机理。数值模拟结果显示出一系列原子变形机理以及局部融化和无定形性,包括 锥形头、底面滑移和孪晶、菱形孪晶以及沿{01 [24]利用反向弹道试验研究了陶瓷材料侵彻的破坏动 力学,试验中用金长杆碰撞 SiC-B SiC-N圆柱体。 Kawai [25]对超高速碰撞作用下陶瓷材料的破坏特性 序号 能量消耗形式 弹丸 抛掷占弹丸初始动能分数/% 4~12 19~23 10~24 42~53 进行研究。试验结果表明:超高速碰撞下陶瓷板的破 坏形态主要有 超高速碰撞下氮化硅陶瓷的破坏形态。Kawai 等给出 了能够很好确定 混合效应残余弹性波 不到 穿破坏k=2.4,锥形剥落 k=3.7。因此,超高速碰撞下氮 发光辐射 Ant oun [19]对岩石的超高速侵彻破坏进行数值模 拟研究。结果表明:射弹质量相同时,目标破坏与射弹 材料无关;虽然弹坑深度与射弹速度相对无关,但撞击 速度却强烈影响由冲击荷载造成的严重破坏的深度。 当撞击速度从 4.0 km/s 增加到 6.0 km/s,无孔隙石灰岩 的严重破坏深度增加近 倍。孔隙率为2.7%,与无孔 隙石灰岩相比严重破坏深度将减小 1/2。质量为 Mg、L/D=8.75 的长杆弹对岩石中地下结构的严重破坏深 度,速度为 4.0 km/s,有孔隙岩石中可达到 12.0 m,速度 6.0km/s,无孔隙岩石中可达到 40.0 90年代以前,岩石超高速碰撞现象研究的重点集 中于弹坑形态、弹坑结构和抛撒物范围等方面,受加速 设备能力的限制,弹丸质量一般较小,毁伤现象以近微 观现象为主;随着超高速动能武器研制及防护技术研 究需要,近年来,宏观弹丸(公斤级至吨级)对岩石超高 速碰撞毁伤效应研究成为重点,然而由于发射技术、测 量技术的限制,此方面研究仍以数值模拟为主。 1.3 陶瓷材料 陶瓷材料广泛地应用于防护装甲结构中,在现实 军事需求的刺激下,人们开展了大量陶瓷材料性能及 其穿甲侵彻机理的研究,主要集中于高速侵彻(1.5~3 km/s) [20] 对于陶瓷材料的超高速侵彻问题,目前国内 化硅陶瓷的破坏形式可利用侵彻方程进行预测。 超高速碰撞下氮化硅陶瓷的破坏形态Fig.4 Damage models siliconnitride under hypervelocity impact 1.4 金属材料 金属材料在超高速碰撞条件下表现出半流态/流 态力学特点,在碰撞影响区发生强烈的相变及微观晶 弹/靶材料性质、碰撞速度及碰撞角度等因素相关性较大, 而受弹体形状因素的影响较小。靶体厚度不同, 超高速 碰撞时产生的破坏形式差异较大,厚靶、中厚靶 破坏形态具体表现为:1)金属厚靶的超高速破坏主要 是成坑,主要发生在靶厚与弹丸直径比大于 4.5。侵彻 深度受碰撞速度、靶体材料强度和弹体烧蚀 影响明显;弹 /靶材料性能(密度、硬度、直径)以及弹体 速度对弹坑 形状影响显著;弹坑底部发生明显相变和 晶粒细化现象, 这主要是能量快速沉积的结果。2)中 WHA 23.9mm 26.8mm 21.1mm 17.2mm 18.3mm 15.4mm 136兵器材料科学与工程 厚靶在超高速碰撞下,主要发生成坑、层裂或剥落以及穿孔 0~4.5时,产生层裂和剥落破坏。3)薄靶主要指靶厚与弹丸直 径比小于 3.0,破坏现象为穿孔,同时产生破片云、闪光。 金属材料超高速碰撞破坏效应研究目前主要集中 于弹坑形貌研究方面。王辉等 [26] 在实验的基础上基于 对金属材料的撞击,提出了一个撞击现象分类,见表 2。Murr [27]对金属靶从低速到超高速碰撞成坑的侵 彻转变进行了研究,碰撞速度为 0.8~6.0 km/s。试验获 得的典型超高速碰撞弹坑正面和侧面图,如图 金属材料撞击现象分类表Table Classificationchart impactphenomenon mental密度钨合金和纯钨材料,弹丸速度为 km/s。试验结果发现,弹坑的轮廓可能与弹丸材料发生绝热剪 切弯曲或脆性断裂有关。脆性的钨弹丸比由剪切带组 成的高密度钨合金产生更深的弹坑,图 为不同碰撞速度下高密度钨合金弹丸产生的弹坑形状。 除对弹坑形貌进行研究外,人们对超高速碰撞条 件下金属材料产生的其他效应进行了研究。Ni Chua⁃ nhao [32]对超高速碰撞下纯铁靶体的晶粒细化过程进 行研究。结果表明:在碰撞速度为 2.8 km/s 碰撞坑底部出现平均粒径为100~200 nm 粒。纯铁在超高速碰撞条件下可经过塑性变形产生晶粒强化。Higashi de [33]研究了高速碰撞时金属网产 速度

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  3~12 05现象 固体材 料汽化 产生流体行为,应考虑材料的压缩性 材料由塑性行为 向流体行为过渡,材料的强度不能忽略 材料的黏性和 强度是显著的 主要是塑性行为 主要是弹性行为,某 些区域有塑性变化 生的破片云。试验结果表明:在重力环境下,破片云中 心速度比弹丸碰撞速度低 35%以上。不同碰撞速度下 金属网的穿孔情况,如图 不同碰撞速度下高密度钨合金弹丸产生的弹坑形状Fig.6 Shape craterimpacted high density tungsten alloy proje ctile unde diffe re nt ve locit 金属材料典型弹坑结构Fig.5 Crater structure metalForrestal [28]进行了钝球形钢质弹丸以 0.5~3.0 km/s 速度对 6061-T6511 铝靶的侵彻试验。试验结果 表明,超高速碰撞时,弹丸发生刻蚀而损失质量,并且 随着碰撞速度增加,侵彻深度增加。Pi ekut owski [29]利用三级轻气炮将 2.38 mm 直径的球形铝弹丸加速到 9.0 km/s 以上,对铝弹丸超高速撞击薄铝板进行了试验 研究。结果表明,在超高速碰撞情况下,弹丸直径和形 状对弹坑数据影响不大。Yoshi nori Isomoto Oka [30]对次声速到超高速颗粒对金属材料碰撞的破坏行为进 行研究,重点分析了横截表面的凹坑形状和坑深与坑 径与弹丸直径比。研究结果表明:弹坑直径与弹丸直 径比值由靶体材料类型决定;弹丸的断裂是由于靶体 材料的局部强化造成的,该值可能达到准静态硬度值 倍。法国圣路易斯研究所Lach 不同碰撞速度下金属网的穿孔Fig.7 Perforation metalmesh under different velocity 1.5 复合材料 复合材料/结构比强度高、综合性能好,因而广泛 应用于航空航天、抗弹防爆等结构中,人们对复合材 结构低速到高速的冲击破坏效应进行了广泛的研究,但对其超高速破坏效应目前研究的还较少,主 要是对 Whipple 防护结构的超高速破坏效应进行研 [34-35] 破裂褶皱 完全解体 杨益等:超高速碰撞材料毁伤效应研究进展137 张宝尔等 [36] 利用二级轻气炮对玄武岩及 Kevlar 维布填充的防护结构进行了超高速撞击实验研究。实验表明:双层未涂胶玄武岩及 Kevlar 纤维布填充防护 结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及 Kevlar 纤维布填充 防护结构在高速区都具有优良的防护性能。玄武岩纤 维丝在高速区主要依靠脆性断裂及高温碳化将弹丸破 碎或融化为尺寸更小的碎片或熔球。Li [37]研究了 超高速碰撞加载下夹芯复合结构中多孔材料的吸能 性能。研究的材料系统包括:双壁结构、碳化硅织物 增强陶瓷基复合材料、空心球吸能材料、碳织物和凯 夫拉纤维织物增强环氧基复合材料。Tennyson [38]对复合材料的超高速破坏进行研究,研究的靶体材料 为石墨/PEEK 层压板,利用不同尺寸的球形铝弹丸对 平板和圆筒靶体进行超高速碰撞测试,碰撞速度为 2.0~7.0 km/s。研究发现:超高速碰撞情况下,破片云 颗粒具有足够的能量侵彻邻近结构,破坏主体结构和 破坏情况,如图 所示。Grujicic [39]对增强碳-碳/碳-泡沫热防护系统的 超高速碰撞性能进行研究,对超高速颗粒侵彻复合材 料的过程进行了数值模拟,结果见图 9。结果表明:复 合材料的受损程度与超高速破片的法向动能有关;碳 泡沫的自身强度较低,但其可有效提高复合材料的抗 超高速破片侵彻能力。Park [40]对增强碳-碳复合材 料的超高速碰撞效应进行了数值模拟研究。结果表 明,增强碳-碳复合材料对超高速弹丸具有一定的防 护能力,弹坑直径大小与弹丸动能具有直接关系,模拟 两种复合材料靶体的破坏情况Fig.8 Damage twokinds compositetargets 碳-碳/碳-泡沫材料超高速碰撞破坏数值模拟Fig.9 Numerical simulation hypervelocityimpact damage carbon⁃ ca rbon/ca rbon⁃f oa mate ria ls 10碳-碳复合材料的超高速碰撞效应 Fig. 10 Hype rve locit impact ef fe ct carbon⁃ ca rbon composit 结果如图10 所示。 [41]对铝球撞击铝板进行 数值模拟,研究 了超高速撞击下钛基复合材料的动力学行为。超高速 弹丸撞击到防护屏前面板后,防护屏和弹丸破碎,部 分融化甚至汽化,产生碎片云;随着撞击速度增加,碎 片云动能增加,碎片云撞击到防护屏后板,对后板产生 毁伤,后板毁伤程度随着碎片云动能的增加而增加。 [42]研究了 C-SiC 复合材料在超高速碰撞下的 特性,当弹丸撞击 C-Si 复合材料时,产生的碎片云内部没有空腔,碎片充满整个碎片云。黄洁等 [43] 通过对 蜂窝夹层结构的超高速碰撞过程进行了试验和数值模 拟研究。结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀, 隔热层的毁伤模式主要为喇叭状穿孔,入口直径小,出 口直径大,且伴有烧蚀痕迹;蜂窝芯主要为褶皱、破裂、 完全解体(图 11);后板为鼓包、不规则穿孔、撕裂卷 起、脱落。 11蜂窝芯损伤模式 Fig. 11 Da ma ge model honeycomb core 复合材料由于组成成分多样、材料结构复杂,因而 其超高速碰撞破坏效应相对单一材料更为复杂。当前 人们对复合材料的超高速碰撞破坏效应的研究,主要 源于航天飞行器抵抗超高速破片撞击防护的需要,因 而主要涉及复合材料薄靶的超高速碰撞研究。单一复 合材料薄靶的破坏形态主要是穿孔,孔径大小受弹丸 动能影响明显,破片云形状与靶体材料特性、撞击角 度、速度有关。总体来看,国内外对于复合材料/结构 的超高速破坏问题研究的还较少,国外在此方面开展 138 兵器材料科学与工程 一定的研究,进行碰撞测试试验和数值模拟,得出特定结构的碰撞方程,并根据碰撞方程进行了数值模拟研 [44]。国内在此方面的研究还较少,主要进行了数值 模拟研究,得出的结论以定性描述为主。 超高速动能武器发展趋势超高速动能武器将向着效能实用化、毁伤宏观化、 部署太空化、作战多样化的方向发展,并逐渐成为一种 成熟的作战系统。 2.1 效能实用化 随着超高速发射技术、材料技术、引信技术及制导 技术的不断进步,以超高速武器弹药为代表的超高速 碰撞技术也将不断发展并逐步迈向实用化。超高速碰 撞技术的实用化,将彻底改变传统武器弹药的作战概 念,具体包括以下方面:1)大大提高武器弹药的作战距 离,甚至实现全球打击;2)穿甲/侵彻能力得到极大提 高,50 弹丸以2.0 km/s 速度发射即可穿透 25.4 mm 装甲;3)破坏威力强大,超高速弹丸具有极高的动能,因而与目标发生碰撞后,将对目标产生多种破坏效应。 2.2 毁伤宏观化 随着超高速动能武器技术的成熟,将公斤级弹丸 加速到超高速,实现对目标的宏观毁伤将成为超高速 碰撞技术的发展趋势。将千克级弹丸加速到 上速度,实现弹丸对目标的宏观破坏将是超高速碰撞技术的发展趋势之一,在此基础上,宏观弹丸对不同目 标结构超高速碰撞产生的宏观破坏效应研究也将成为 研究热点。目前,能将千克级弹丸加速到超高速的技 术,见表 超高速发射能力Table Hypervelocitylaunch ability 生巨大破坏,对大型建筑及深地下目标构成严重威 胁。“上帝之杖”的钨合金弹丸长约 m、直径为30 cm,由太空发射,其等效 TNT 能量为 19. t,毁伤深度介于 12~40 m,具有很强的破坏威力,因而武器弹药部 署太空具有明显的优势。 2.4 作战多样化 随着超高速发射技术成熟以及超高速武器平台的 多样化,以超高速碰撞技术为基础的作战样式也将向 多样化发展。以“上帝之杖”为代表的天基超高速武器 平台,可对全球重要战略目标进行实时打击,并且可以 攻击深地下目标;以“电磁炮”技术为代表的地面/水面 发射平台,可实施战术级别的超高速碰撞打击作战,通 过间瞄和直瞄两种手段,向地面部队提供强大火力支 援或者打击各类固定目标。由于超高速武器具有飞行 速度快、弹丸无装药的特点,因而拦截和防御难度大, 从而可实现对目标的高效打击,全面改变武器弹药的 作战样式。 超高速碰撞毁伤效应研究发展趋势随着科学技术的不断进步,超高速动能武器将不 断成熟,对各类重要目标将构成现实威胁,超高速碰撞 毁伤效应研究也将更具现实意义。未来,超高速碰撞 毁伤效应研究重点从理论研究、数值模拟、发射技术和 宏观效应研究几个方面实现突破。 3.1 重视超高速碰撞理论研究 超高速碰撞过程是复杂的物理化学过程,由于靶 弹系统材料性质、碰撞形式及靶体厚度的不同,超高速 碰撞过程中将产生不同的碰撞现象,冲击相变过程、成 坑形态、碎片云形状及分布等碰撞现象受到多种因素 的影响。如何描述物质在瞬态高压下的行为,建立正 单位 海军水面作战 中心 英国 Fort Halstead 美国先进技术 发射方式 弹丸质量/kg 发射速度(/ kms )发射能量/MJ确的物态方程,对于超高速碰撞研究具有重要的作 用。由于超高速不仅仅是力学问题,同时还包括复杂 的物理化学问题,因而加强超高速碰撞理论研究,通过 理论结果指导实验,对于开展超高速碰撞研究具有重 研究所(IAT) IAT 轻气炮 2.3 部署太空化 要意义。3.2 加强超高速碰撞模拟研究 武器系统部署于邻近空间的飞行平台上,利用小 型火箭助推或自由落体,可将大质量弹丸轻易加速到 超高速度,从而实现对地球上任何地区的高价值战略 目标实施快速、精确打击。由于弹丸具有很大的动能, 因而可以不用装药,完全依赖动能撞击即可对目标产 随着计算机性能的不断提高,对超高速碰撞问题 进行数值模拟研究,已经成为研究超高速碰撞问题的 重要手段。相对于超高速碰撞实验研究,超高速碰撞 数值模拟研究具有明显的优势,首先大大降低了实验 费用;其次可对极限条件下的碰撞现象进行探索,从而 电磁炮 10. 杨益等:超高速碰撞材料毁伤效应研究进展139 有效地指导实验研究,提高实验研究的效率。目前,超 高速碰撞数值模拟研究主要存在两方面问题:一是物 理模型方面,除了对材料大变形、断裂以及相变等现象 的描述,对固-液-气多相流的描述等方面存在困难; 二是数值编码方面,二阶精度还很难在界面网格中达 到。另外在进行界面处理时还很难在一个格元里确定 同一材料中的裂缝和不同材料的界面,对发生相变的 情况,还不能确定两相(或三相)的界面和各相的状态。 3.3 开展超高速发射平台建设 以二/三级轻气炮、电炮等发射装置为代表的发射 平台是进行超高速碰撞研究的基础,国内外相关研究 单位均十分重视超高速发射平台的建设和发展。当 前,超高速发射装置发射的弹丸质量一般为几克以下 水平,重点用于空间碎片的超高速碰撞研究,而能将公 斤级弹丸发射到 2.5 km/s 左右超高速的发射装置目前 国内外还较少。为满足超高速碰撞破坏效应研究的需 要,应加强公斤级弹丸超高速发射装置建设。 3.4 深化超高速宏观破坏研究 由于研究目的的不同以及发射技术的限制,长期 以来,超速碰撞研究重点集中于微小弹丸的碰撞毁伤 效果研究,而对宏观弹丸与靶体超高速碰撞产生的宏 观破坏现象研究较少。为进一步拓展超高速碰撞毁伤 超高速碰撞动力学引论[M].北京:科学出 版社,2000:1-5. 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[10]Liu Chunmei,Feng Shunshang,Zhang Xurong. impactef⁃ 效应的研究范围,探索工程目标在超高速碰撞条件下 fect hypervelocityfragment double⁃leveltarge[t Jour⁃的毁伤效应、工程目标在超高速碰撞条件下产生的宏 观破坏效应将成为研究重点。 结束语武器弹药与防护技术作为矛盾的两个方面,总是 处于此消彼长的螺旋式发展之中。当今,武器弹药发 展迅速,其性能和毁伤能力呈跨越式发展,超高速动能 武器的出现和不断成熟,进一步增加了武器弹药对防 护技术带来的挑战。 超高速动能武器产生的超高速碰撞毁伤效应与常 规武器弹药的毁伤效应存在较大差异,超高速碰撞过 程作用时间短,存在复杂的相变和能量转换 [45] ,其毁伤 效应受到弹体材料、速度、撞击角以及靶体材料、结构 形式等多种因素的影响,因而造成了超高速碰撞毁伤 效应研究的复杂性。超高速碰撞毁伤效应研究应重点 加强超高速碰撞理论、超高速碰撞数值模拟、超高速发 射技术(尤其是公斤级以上弹丸超高速发射技术)以及 超高速碰撞毁伤效应测量技术等方面的研究。 nal NorthUniversity China,2007,28(6):501-505.[11]Walker Hypervelocitypenetration modeling:momentum vs energy energytransfer mechanisms[J]. International Journal ImpactEngineering,2001,26:809-822. [12]Lambert Re⁃visiting1-D hypervelocity penetration(pre⁃ print),AFRL- RW- EG- TP- 2008- 7407[R]. US:Air Force Re sea rch Laborat ory,2008. [13] Tang Enling,Zhang Qi ngming,Xiang Shenghai,et al. 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