彈道明膠的沖擊與侵徹動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、沖擊與侵徹是涉及到侵徹阻力、瞬態(tài)打開(kāi)空腔，高速加載下材料的力學(xué)響應(yīng)和沖擊波的傳播等多方面的復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，在航空、航天、汽車(chē)工程、防護(hù)工程、國(guó)防工程、創(chuàng)傷力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。本課題研究明膠的沖擊與侵徹動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，為創(chuàng)傷力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域涉及到的輕武器殺傷機(jī)理和殺傷效能問(wèn)題提供重要的理論基礎(chǔ)。
　　近三十年來(lái)，明膠是廣泛用于建立沖擊與侵徹的物理、仿真或者理論分析模型的生物組織替代物。4℃下10wt％的明膠水凝膠是一

2、種替代肌肉的標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)。明膠可以承受彈性大變形，且具有粘彈性，失效方式為彈性一破裂，幾乎沒(méi)有塑性。本文對(duì)4℃下10wt％的明膠開(kāi)展了基礎(chǔ)性的壓縮、剪切流變實(shí)驗(yàn)，獲得一系列線(xiàn)性、非線(xiàn)性粘彈性參數(shù)和破裂特性，并根據(jù)沖擊與侵徹不同問(wèn)題的需要，建立相應(yīng)的力學(xué)模型。
　　由于球形破片是最簡(jiǎn)單的沖擊物，本文首先分析大量的不同尺寸的鋼球、鎢球等球形破片侵徹明膠的彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將侵徹問(wèn)題理解為侵徹物在目標(biāo)中打開(kāi)空腔的過(guò)程。依據(jù)能量守恒原理建立了球形

3、破片侵徹明膠時(shí)統(tǒng)一的阻力模型和侵徹空腔運(yùn)動(dòng)模型;獲得并分析了打開(kāi)單位體積二維柱形空腔所需能量這一關(guān)鍵參數(shù);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一參數(shù)具有應(yīng)變率相關(guān)性，通過(guò)選擇合適的應(yīng)變率，可以用線(xiàn)性函數(shù)描述二者的關(guān)系。由于“打開(kāi)空腔”這一物理概念在侵徹問(wèn)題中的重要性，本文進(jìn)一步建立了適于用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型來(lái)描述的明膠等彈性大變形材料中的空腔膨脹模型。獲得了明膠中打開(kāi)單位體積球形和柱形空腔所需的能量這一關(guān)鍵參數(shù);比較了球形空腔和柱形空腔的區(qū)

4、別;分析了目標(biāo)為有限尺度時(shí)對(duì)該參數(shù)的影響;最后考慮動(dòng)態(tài)膨脹時(shí)的明膠動(dòng)能，構(gòu)成一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)模型。用這種空腔膨脹模型成功解釋了明膠彈道實(shí)驗(yàn)中侵徹空腔的結(jié)果。
　　在有防彈衣保護(hù)以及彈體不能穿透防彈衣的鈍擊情況下，產(chǎn)生的沖擊波效應(yīng)也會(huì)對(duì)目標(biāo)造成傷害。本文通過(guò)流變實(shí)驗(yàn)深入研究明膠的線(xiàn)性粘彈性本構(gòu)模型，通過(guò)蠕變加載一震蕩實(shí)驗(yàn)獲得明膠在小應(yīng)變、高速率下的粘彈性參數(shù)。將軟質(zhì)防彈衣條件下槍彈鈍擊的邊界條件簡(jiǎn)化為（半）球形凹坑的膨脹過(guò)程，其膨脹速

5、度通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得;由特征線(xiàn)數(shù)值解法得到明膠中的粘彈性球面沖擊波的傳播規(guī)律。并用彈道實(shí)驗(yàn)中壓力波峰值的大小、以及峰值隨傳播距離的衰減規(guī)律來(lái)驗(yàn)證球面粘彈性沖擊波模型的可靠性。
　　當(dāng)槍彈侵徹明膠時(shí)，由于彈頭的不穩(wěn)定性，會(huì)在明膠中出現(xiàn)翻滾運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為攻角運(yùn)動(dòng)。本文綜合已有的半經(jīng)驗(yàn)物理模型，建立了一個(gè)考慮質(zhì)心直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和彈體繞質(zhì)心的攻角運(yùn)動(dòng)的二自由度的簡(jiǎn)化模型。依據(jù)不同型號(hào)槍彈侵徹明膠的彈道實(shí)驗(yàn)，通過(guò)合理處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到模型中的阻力系數(shù)和