高速侵彻混凝土弹体弹道偏转的机理分析

The Deflection of Ballistic Trajectory (DBT) indicates the ballistic trajectory of projectile deflects from its prescribed path, which will decrease the Depth of Penetration (DOP) of projectile. The DBT occurs frequently when the striking velocity is comparatively high, i.e., 1000m/s to 1500m/s. Therefore, it's of crucial importance in the development of high-speed Earth Penetration Weapon (EPW). The essential cause of DBT is the deflection of projectile due to the non-symmetrical resistance force of projectile. Usually, non-ideal projectile impact, non-symmetrical nose blunting, bending and buckling of projectile and random variation of local strength of concrete target are all able to induce the non-symmetrical resistance force of projectile. This project will adopt the forcing function for target considering free surface effect and random variation of local strength of concrete, simulate the non-symmetrical nose blunting of projectile by means of receding of projectile surface, determine whether the target and projectile are in contact or not according to the self-defined separation criterion of projectile and target, and then construct a model to predict the ballistic trajectory of projectile considering the non-ideal projectile impact, non-symmetrical nose blunting, bending and buckling of projectile and random variation of local strength of concrete. Furthermore, based on this model and through parametric analysis, the mechanism of DBT will be developed. The verification penetration tests are going to be designed and conducted in order to verify the reliability of analysis on the mechanism of DBT.

弹道偏转是指侵彻弹体的运动轨迹偏离预定弹道而不能达到预计侵深的现象，常发生在较高侵彻速度范围（1000m/s<撞击速度<1500m/s）内，是发展高速钻地弹亟待解决的关键问题之一。弹道偏转的根本原因是在不对称侵彻阻力作用下，弹体发生了偏转。弹体的非正侵彻姿态（斜角、攻角等）、弹头的非对称钝化、弹体的弯曲/屈曲等变形和混凝土局部强度的随机变化均可能导致弹体侵彻阻力的不对称。本项目将采用计及自由面效应和混凝土局部强度随机变化的靶体响应力函数表征弹体侵彻阻力，利用弹体表面回退，模拟弹头的非对称钝化，并自建弹靶脱离接触的判据，判断弹体表面与混凝土靶是否接触，进而建立计及弹体的非正侵彻姿态、弹头的非对称钝化、弹体的弯曲/屈曲等变形和混凝土局部强度变化影响的弹道预测模型；进一步将开展影响弹道偏转的参数敏感性分析，全面认识弹道偏转的机理；最后将设计开展混凝土的侵彻试验，验证弹道偏转机理分析的可靠性。

弹道偏转是降低弹体侵彻性能的重要因素，耦合弹体结构变形，折减效应将进一步放大。本项目围绕研究弹道偏转机理，降低弹道偏转概率，以及测量弹体偏转运动轨迹，开展四方面工作：.（a）侵彻混凝土的尖卵形长杆弹头部形状演化.高速侵彻弹体头部钝化可引起弹道偏转。假设弹体质量损失所需能量来源于摩擦功，基于能量守恒，建立弹体单位表面摩擦功率表征模型，并导出其任意点回退位移的解析表达式，获得弹体形状演化。模型预测结果与试验吻合良好。提出弹头难熔材料分布方案，可适当减小弹体头形钝化，改进弹体侵彻性能。.（b）高速深侵彻概念弹侵彻混凝土试验研究.高速深侵彻概念弹壳体有支撑肋，整体刚度高，将降低高速侵彻时弹道偏转概率。共开展两组五发高速深侵彻概念弹试验，撞击速度1130m/s~1650m/s。结合前期试验，分析弹材力学性能对侵彻行为影响，侵彻后弹体金相分析揭示弹体质量损失部位与机理，最后，建立针对高速深侵彻概念弹侵深的解析表征模型。.（c）加速度计预埋法测量侵深的机理分析.加速度计预埋法克服了传统预埋法须预知准确轨迹的缺点。基于数值模拟，分析靶局部响应特征，建立其与弹体侵深间关系。进而开展两发验证试验，在靶内预埋加速度计，测量侵彻时靶局部径向加速度响应，给出加速度计预埋法侵深测量值，与试验吻合良好。加速度计预埋法测量侵深的机理研究将为其工程应用奠定基础。.（d）格栅预埋法测量侵深的试验研究.依附于靶内钢筋的细电缆格栅网络按一定间距预埋在靶内。弹体侵彻钢筋混凝土靶时，切断格栅电缆，对应LED灯熄灭。高速相机记录LED灯状态。根据格栅分布距离和LED灯熄灭时刻，获得弹体速度变化和最终侵深，并通过经验公式、试验结果进行校验，论证了格栅测试方法的有效性。.总之，弹体头形钝化点点回退模型为模拟不对称头形钝化奠定了基础；高速深侵彻概念弹试验验证了该弹型结构稳定性与侵彻性能优良，有助于降低高速侵彻时弹道偏转概率；加速度计与格栅预埋法都有应用于测量偏转弹道轨迹的潜能。