动能弹侵彻素/钢筋混凝土的研究是世界各国军事科研近20年来在深钻地武器研究领域中的重要课题,随着工事目标的坚固化和地下化,对钻地武器的设计要求也就越来越高。为了能攻击到深层工事目标,钻地弹需要更大的着靶动能,随着研究重点由低速向高速的转移,需对高速侵彻机理进行深入地研究。本文采用半经验半理论分析、试验研究以及数值模拟三种研究手段,对侵彻速度在800～1400m/s范围内的尖卵形弹丸高速侵彻素/钢筋混凝土的物理过程中存在的力学问题进行了深入系统地研究,主要研究内容和结论如下:(1)提出了一种基于混凝土盖帽模型的球形动态空腔膨胀模型,采用一般形式的状态方程和屈服准则描述混凝土材料的动态力学特性,获得了通用的混凝土球形空腔膨胀模型的动态响应表达式。新空腔膨胀模型中考虑了混凝土介质高压体积屈服软化效应,依据本文考虑高压体积屈服软化效应的空腔膨胀模型,推导并获得空腔膨胀速度与空腔表面径向应力表达式(即侵彻问题中的阻力函数表达式),并依据阻力函数,基于微分面力法建立计算侵彻深度的迭代计算模型。为了验证阻力函数在高速侵彻条件下的适用性,利用次口径发射技术,开展了 60mm直径和125mm直径卵形弹丸侵彻C40混凝土介质的终点效应试验,弹丸撞击速度在800m/s～1400m/s范围内,获得了弹丸以不同撞击速度下的垂直侵彻混凝土靶板的侵彻深度。模型与试验对比结果表明:考虑混凝土高压屈服软化特性的侵彻阻力模型在高速段,相比已有侵彻阻力模型与试验结果具有更好的一致性。对比分析了弹丸不同头部CRH、质量以及靶体强度和密度对侵彻过程的影响,揭示了头部CRH、弹体质量、混凝土单轴抗压强度以及混凝土密度对侵彻的影响规律。(2)结合SPH无网格方法、RHT混凝土模型以及描述多孔特性材料的P一α状态方程,利用数值模拟方法研究了弹丸撞击有限厚度混凝土靶的靶板的失效模式,研究了弹丸撞击有限厚度靶发生开坑、崩落和贯穿三种破坏模式的靶板损伤演化过程。特别的,针对弹丸贯穿中等厚度靶(10D～30D)开展了低速650m/s和高速1100m/s两种撞击速度的贯穿试验研究,结合数值模拟计算结果,重点研究了在同一撞击速度下,靶板厚度对弹丸贯穿剩余速度的影响规律,揭示了尖卵形弹丸贯穿中等厚度靶的贯穿机制。在第二章深侵彻阻力研究的基础上,在侵彻阻力模型中引入靶背自由面影响,建立可以预测极限贯穿厚度、弹丸剩余速的预测模型,对比分析试验结果和已有的贯穿经验公式,验证分析模型的精度和适用范围。(3)开展了 60mm弹丸垂直侵彻不同配筋率的钢筋混凝土介质的终点效应试验,采用6mm钢筋、网眼50mm×50mm的钢筋结构,通过控制钢筋层间距,达到体积配筋为0.5%、1.0%和2.0%的三种配筋率方案,获得相同弹丸以不同速度撞击不同配筋率钢筋混凝土靶的侵彻深度,获得了配筋率对侵彻影响规律。通过对试验后靶体中断裂的钢筋的宏观和微观分析,确定了钢筋的断裂模式,并建立了钢筋的薄膜拉伸和弯曲耦合断裂失效模型。在高速侵彻阻力研究的基础上,考虑弹丸直接与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的阻力,建立弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。依据工程解析模型分析弹丸在钢筋交汇节点、钢筋网格中心点、单根钢筋的中点与钢筋接触情况下钢筋对侵彻的影响。模型计算结果与试验对比,表明本文模型在侵彻钢筋混凝土介质中的侵彻深度的计算是有效和实用的。模型计算分析表明:在网眼尺寸一定的条件下,随着体积配筋率的增大,钢筋对弹丸的阻力作用越明显,但在相同体积配筋率下,钢筋直径的影响小于钢筋网层间距的影响。(4)采用线切割方法对侵彻试验后的60mm和125mm弹丸表面弹头、弹身前段和弹身尾部切割取样,获得弹丸表面横截面显微组织分析试样,用金相显微镜对比分析试样表面沿厚度方向的组织结构变化,分析两种弹径的高速侵彻后表面组织变化特性。基于Jones侵蚀模型,建立了同时考虑弹丸质量损失和头部钝化的迭代计算模型,通过对侵彻弹丸试验计算分析,提出了一种考虑混凝土骨料硬度、弹体材料硬度以及弹体材料强度的侵蚀修正系数,修正后的模型计算精度增加明显。用3D扫描技术,对试验后的弹丸进行表面扫描,获取侵蚀后弹丸表面轮廓形状,分析弹丸头部形状演化规律,对比分析了弹体头部演化规律对侵彻的影响。(5)利用颗粒离散单元法,获得弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系,并重点研究了粗骨料对侵彻阻力的影响。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。在数值模拟的结果分析基础上,提出了一种考虑混凝土最大粗骨料与弹径比值的弹丸侵彻阻应力修正公式,对比分析不同弹径,不同骨料直径对侵彻阻应力的影响,给出了工程中粗骨料直径的选取原则。