[发明专利]一种预测平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的方法

权利要求书

1.一种预测平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、将球壳在平头弹冲击下的变形和贯穿响应分为剪切变形、凹陷变形、棱区、未变形四个响应区域，在贯穿区域采用常位移分布，并确定贯穿区径向位移和速度分布；在凹陷变形区通过镜像变换得到位移分布函数，并确定贯穿区径向位移和速度分布；在棱区提出二次位移分布函数，通过连续条件确定位移分布系数，并确定棱区径向位移和速度分布，即针对不同响应区域分别确定球壳变形的轴向位移和速度在径向上的分布；

步骤一实现方法为，

确定球壳变形的轴向位移和速度在径向上的分布：

其中，无量纲变量定义为R表示球壳的曲率半径，r₀为壳底面半径，l为棱区宽度，r_d为凹陷半径，也就是镜像变换区域的半径，r_p为弹丸截面半径，r为球壳上任意考察点的径向坐标，分别表示1区、2区、3区的位移，该位移平行于冲击方向，由于4区无变形且边缘为固定约束，因此不需要考虑其位移；将球壳在平头弹冲击下的变形和贯穿响应分为剪切变形、凹陷变形、棱区、未变形四个响应区域，即所述1区为贯穿发生时产生的剪切变形区，2区为凹陷变形区，3区为凹陷变形与未变形区域之间的棱区，4区为未变形区；相应的速度在径向上的分布为：

在贯穿区域1采用常位移分布，利用公式(1-1)和(2-1)分别描述区域1的位移和速度；在凹陷区域2通过镜像变换得到位移在径向分布，利用公式(1-2)和(2-2)分别描述区域2的位移和速度；在棱区区域3提出二次位移分布函数，通过连续条件确定位移分布系数，得到区域3的位移分布，利用公式(1-3)和(2-3)分别描述区域3的位移和速度；区域4为未变形区域，位移和速度分别为零；即针对不同响应区域分别确定球壳变形的轴向位移和速度在径向上的分布；

步骤二、通过速度分布确定球壳变形过程中平头弹和球壳动能总体分布；

步骤三、通过贯穿区域与凹陷变形区域之间的剪切位移线性分布，结合步骤一中确定的贯穿区域位移和速度分布，确定剪切应变；根据Von-Karman大变形理论，结合步骤一中确定的凹陷变形区域、棱区的位移和速度分布，确定凹陷变形和棱区变形的应变、曲率；

步骤四、根据非保守系统Hamilton原理确定凹陷变形半径和剪切冲塞深度的控制方程；

步骤五、通过本构方程，确定各部分膜力、弯矩与应变、应变率、曲率和曲率率的关系，从而确定各部分膜力、弯矩与求解变量f和e之间的关系，从而得到封闭的方程组；

步骤六、求解步骤五得到的封闭的方程组，确定球壳变形过程、最终凹陷半径、凹陷深度以及平头弹残余速度，即实现平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的预测。

2.如权利要求1所述的一种预测平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的方法，其特征在于：还包括步骤七，应用步骤一至步骤六实现平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的高精度预测，进而解决土木工程和冲击防护领域相关问题。

3.如权利要求2所述的一种预测平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的方法，其特征在于：在土木工程领域中，大型建筑大跨度曲壳穹顶的设计必须考虑人为意外和自然存在的冲击作用下的动态变形和贯穿问题，保证在上述冲击作用下，穹顶结构的完整，或确定穹顶承受极限冲击作用的情况，评估大型建筑穹顶抗冲击安全性，所述动态变形和贯穿问题包括高空坠落物和冰雹；根据步骤六计算的最终凹陷半径、深度和平头弹残余速度，能够确定冲击作用下球壳损伤的区域、损伤程度以及破损后坠落物对建筑内人员和设备的伤害情况，能够指导大型建筑大跨度穹顶抗冲击设计；同时，得到的凹陷半径和深度还能为穹顶受损后的修复工作提供依据。

4.如权利要求2所述的一种预测平头弹正冲击下球壳变形和贯穿破坏行为的方法，其特征在于：在冲击防护领域中，飞行器鸟撞问题始终是威胁飞行安全的重要因素，将鸟等效为平头弹，将飞行器蒙皮等效为球壳，利用步骤六能够计算鸟撞后飞行器蒙皮凹陷变形和尺寸和深度，以及蒙皮破裂情况，为飞行器抗冲击安全设计提供有力支持，提高飞行器抗冲击安全性。