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基于子弹击穿理论的直升机机身弹伤快速分析方法

邢肖兵 谭剑锋 杨宇霄 雍天 于领军 武瑞

邢肖兵,谭剑锋,杨宇霄,等. 基于子弹击穿理论的直升机机身弹伤快速分析方法[J]. 北京麻豆精品秘 国产传媒学报,2025,51(9):3212-3221 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0450
引用本文: 邢肖兵,谭剑锋,杨宇霄,等. 基于子弹击穿理论的直升机机身弹伤快速分析方法[J]. 北京麻豆精品秘 国产传媒学报,2025,51(9):3212-3221 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0450
XING X B,TAN J F,YANG Y X,et al. An efficient analysis method of helicopter fuselage bullet damage based on bullet penetration theory[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(9):3212-3221 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0450
Citation: XING X B,TAN J F,YANG Y X,et al. An efficient analysis method of helicopter fuselage bullet damage based on bullet penetration theory[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(9):3212-3221 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0450

基于子弹击穿理论的直升机机身弹伤快速分析方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0450
基金项目: 

国家自然科学基金(12172165);江苏省自然科学基金(BK20211259);江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师项目

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:Jianfengtan@njtech.edu.cn

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

An efficient analysis method of helicopter fuselage bullet damage based on bullet penetration theory

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (12172165); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20211259); Outstanding Young Backbone Teacher Project of Jiangsu Qinglan Project

More Information
  • 摘要:

    直升机机身外形与结构复杂,基于有限元方法的直升机机身弹伤数值仿真分析计算量大、周期长,难于适合复杂多弹环境的直升机机身弹伤快速分析评估。为此,耦合子弹击穿理论和弹击碰撞计算模型,建立直升机机身弹伤快速分析方法,并通过与试验结果、有限元数值仿真结果对比,验证快速分析方法的准确性。随后研究多弹打击的直升机机身弹击坐标、剩余速度以及机身损伤面积。研究表明:快速分析方法计算的剩余速度与试验结果相吻合;相比有限元弹伤数值仿真,快速分析方法计算的弹体剩余速度最大误差为4.7%,机身损伤面积最大误差为9.56%,计算时间减少92.1%,计算效率显著提高。随着弹体入射角增大,剩余速度减小,损伤面积增大;当弹体入射角过大,弹体无法穿透机身表面,产生水槽状滑擦损伤,造成较大面积损伤。

     

  • 图 1  弹击碰撞计算模型流程

    Figure 1.  Flow chart of the calculation model of projectile impact

    图 2  实验与弹伤快速分析数值计算对比

    Figure 2.  Comparison of results of experiment and efficient analysis method of bullet damage

    图 3  三维模型装配

    Figure 3.  Three-dimensional model assembly

    图 4  有限元仿真弹体剩余速度与实验对比曲线

    Figure 4.  Curves of experiment and finite element simulation of residual velocity of projectile body

    图 5  剩余速度对比

    Figure 5.  Residual velocity comparison

    图 6  随机弹点在y-z平面投影

    Figure 6.  Projection of random bullet points on the y-z plane

    图 7  打击模拟图

    Figure 7.  Strike simulation diagram

    图 8  弹伤快速分析方法不同入射角的剩余速度和损伤面积

    Figure 8.  Residual velocity and damage area calculated by efficient analysis method of bullet damage at different incidence angles

    图 9  直升机三维模型

    Figure 9.  3D model of helicopter

    图 10  弹体模型

    Figure 10.  Projectile body model

    图 11  直升机机身划分网格

    Figure 11.  Helicopter fuselage grid

    图 12  6个打击点的应力云图

    Figure 12.  Stress nephogram for six strike points

    图 13  不同入射角最大应力和剩余速度

    Figure 13.  Maximum stress and residual velocity at different incidence angles

    图 14  打击点的剩余速度时间历程

    Figure 14.  Residual velocity time history of the strike point

    图 15  剩余速度和损伤面积对比曲线

    Figure 15.  Curves of residual velocity and damage area

    图 16  计算时间对比

    Figure 16.  Comparison of computational time

    表  1  子弹材料参数[13]

    Table  1.   Bullet material parameter[13]

    材料 密度ρ/(kg·m−2) 弹性模量E/MPa 泊松比μ
    7 800 200 000 0.3
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    表  2  弹体剩余速度实验与弹伤快速分析数值计算对比

    Table  2.   Comparison of residual velocity experiment on projectile body and efficient analysis method of bullet damage

    金属板 序号 板厚/mm 射入
    角度/(°)
    剩余速度/(m·s−1) 误差/%
    实验 本文
    钢板 1 1.5 0 878.73 875.65 0.3
    钢板 2 3 0 830.37 829.35 0.12
    钢板 3 4.5 0 816.99 785.67 3.8
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    表  3  靶板材料常用参数及失效参数[14]

    Table  3.   Common parameters and failure parameters of target plate materials[14]

    材料 密度ρ/
    (g·m−2)
    弹性模量
    E/MPa
    泊松
    μ
    屈服强度
    σ/MPa
    A/Pa B/Pa n
    7 800 200000 0.3 235 506 320 0.28
    材料 m C D1 D2 D3 D4 D5
    1.06 0.064 0.1 0.76 1.57 0.005 −0.84
     注:A为初始屈服应力;B为硬化常数;n为硬化指数;m为热软化指数;C为应变速率常数;D1-D5为材料参数。
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    表  4  剩余速度对比

    Table  4.   Residual velocity comparison

    金属板 板厚/mm 剩余速度/(m·s−1) 误差/% 时间/s
    实验 仿真 本文 仿真 本文 仿真 本文
    钢板 1.5 878.73 893.09 875.65 1.63 0.3 45 0.032
    3 830.37 828.27 829.35 0.78 0.12 55 0.025
    4.5 816.99 810.17 785.67 0.83 3.8 62 0.021
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    表  5  直升机机身弹伤快速分析方法结果

    Table  5.   Results of efficient analysis method of helicopter fuselage bullet damage

    打击点 材料 入射角/
    (°)
    初速度/
    (m·s−1)
    剩余速度/
    (m·s−1)
    损伤
    面积/m2
    计算
    时间/min
    1 铝合金 8.16 1 000 858.8 6.21×10−4 25
    2 铝合金 28.99 1 000 840.1 9.41×10−4 25
    3 铝合金 43.51 1 000 808.6 1.08×10−3 25
    4 铝合金 50.53 1 000 764.6 1.26×10−3 25
    5 铝合金 77.01 1 000 607.5 2.95×10−3 25
    6 铝合金 87.71 1 000 460.2 4.13×10−3 25
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    表  6  铝合金2A50材料参数及Johnson-Cook模型失效参数[20]

    Table  6.   Aluminum alloy 2A50 material parameters and failure parameters of Johnson-Cook model[20]

    材料 密度/
    (kg·m−3)
    弹性模
    E/MPa
    泊松比μ A/Pa B/Pa
    铝合金2750700000.3324.1113.8
    材料nmC$ D_{1} $$ D_{2} $$ D_{3} $$ D_{4} $$ D_{5} $
    铝合金0.421.70.0080.771.450.470.0070
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    表  7  直升机机身弹伤快速分析计算与有限元仿真计算数据对比

    Table  7.   Comparison of data between efficient analysis and finite element simulation of helicopter fuselage bullet damage

    打击点
    入射角/(°)
    本文剩余
    速度/(m·s−1)
    有限元剩余
    速度/(m·s−1)
    本文损伤
    面积/m2
    有限元损伤
    面积/m2
    8.16 858.8 886.4 6.21×10−4 5.75×10−4
    28.99 840.1 823.6 9.41×10−4 8.96×10−4
    43.51 808.6 790.8 1.08×10−3 1.02×10−3
    50.53 764.6 747.7 1.26×10−3 1.15×10−3
    77.01 607.5 580.3 2.95×10−3 2.82×10−3
    87.71 460.2 445.1 4.13×10−3 3.84×10−3
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-10
  • 录用日期:  2023-09-08
  • 网络出版日期:  2023-10-25
  • 整期出版日期:  2025-09-30

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