钢-UHMWPE混杂纤维混凝土抗多发打击研究

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现代战争中采用精确制导弹药对重点目标实施多发或多次打击已成为重要方式,对保障指挥稳定、武器装备和人员安全的防护工程带来了严重威胁,如何提高防护工程在现代多发打击的能力成为亟待解决的重大课题。本论文采用试验与数值模拟相结合的研究方法,针对防护工程抵抗高效毁伤武器重复打击的需求,开展钢-UHMWPE混杂纤维混凝土的抗多发打击性能试验与数值模拟研究,对于研制新型高强混凝土,提高混凝土防护结构的抗多发打击能力,具有重要军事意义与实践应用价值。主要的工作内容与研究成果如下所示:(1)混杂纤维混凝土多发打击试验研究。设计并制备16种混杂配比纤维混凝土,开展典型分布式多发打击试验,获取了多发打击下混杂纤维混凝土的毁伤特性和抗侵彻数据,分析了弹坑毁伤和侵彻深度与打击次数和纤维配比的关系。研究发现,靶体表面弹坑面积与侵彻深度随着打击次数增加而增大,但再次打击的增加幅度逐渐降低;多发打击的弹坑毁伤与侵彻深度受混杂配比影响,二者与抗压强度呈幂次递减关系,1.5%钢纤维和0.3%UHMWPE纤维混杂抗多发打击性能较好;钢纤维对大裂缝的发展有控制作用,UHMWPE纤维在减少微小裂缝数目上发挥作用。(2)混杂纤维混凝土抗多发打击机理分析。设计了分布式连续打击计算方案,建立了有限元模型,通过典型试验靶体算例分析验证了模型与材料参数的可靠性,据此开展机理分析。研究表明,分布式打击下,各发弹对靶体的打击都存在明显的弹坑形成与稳定隧道贯穿两个阶段,弹坑形成阶段,打击次数与纤维配比对弹速度降低和姿态变化影响不大;在稳定隧道阶段,由于前发打击的影响,表现出后发弹速降速逐渐减缓且弹体偏转增大趋势。三种典型工况的最终偏转中工况S0P0.3三发偏转都最大,说明单一UHMWPE纤维虽然无法提升抗侵彻阻力,但可通过弹体偏转使混凝土获得较好抗侵彻性能。混杂纤维及钢纤维混凝土能比较好的提升混凝土抗侵彻性能,通过加快应力消散速度加快动能消耗,降低侵彻深度。(3)概率命中条件的影响和纤维掺量混杂配比优化研究。将分布打击弹着点距离与武器概率命中关联,设计4种命中概率条件打击方式,运用数值模拟手段进行了不同弹着点距离命中概率条件下的多发打击对比研究。结果表明,低纤维掺量的纤维混凝土在90%的命中概率下靶体的毁伤与侵彻深度最大,高纤维掺量的混凝土由于弹体偏转,当降低命中概率时,侵彻深度有所降低但混凝土的毁伤增加。最后,以试验得到的较优级纤维配比为基础,考虑两种最不利命中概率条件进行混杂配比优化研究,得到了相对更优的方案。
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