冻土是高纬度、高海拔地区的常见地质结构，为指导冻土区的地下防护工程设计，开展了冻土抗侵彻试验与数值仿真。分析了侵彻过程中冻土的破坏机理，并根据冻土材料特性以及空腔膨胀理论研究了子弹的侵彻深度。试验和仿真结果表明：随着子弹速度的上升，冻土表面的破坏程度增加。冻土材料在拉应力、剪应力联合作用下发生破坏，边缘处的材料破坏得最严重。靶板内部的裂纹对子弹速度敏感，当子弹速度达到170m/s时裂纹数目显著增加。针对冻土抗侵彻问题，考虑了冻土粘性效应的空腔膨胀模型与试验的平均误差为3.03%，对侵彻深度的预测能力明显强于原始的空腔膨胀模型以及其他经验公式。

针对冻土地区的地下防护工程建设问题，进行了弹体侵彻冻土试验，以100～200 m/s的弹体初速侵彻-10 ℃下含水率为30%的冻土，对冻土的抗侵彻能力进行了试验研究。试验结果表明：随着弹体初速的提高，弹体侵彻冻土的深度逐渐增加，弹体在侵彻冻土过程中弹体姿态未出现反转，并得到了弹体侵彻深度和速度之间的关系式。采用LS-DYNA软件建立了数值计算模型对弹体侵彻冻土进行仿真计算，分析了侵彻速度对弹体侵彻能力的影响。通过数值模拟并对比试验结果、理论计算和经验公式可知，弹体侵彻深度与弹体初速变化的趋势保持一致，与理论计算结果吻合程度高，验证了空腔膨胀理论模型在侵彻冻土方面的可行性，相对于经验公式，理论计算公式更贴近于实际侵彻结果，为冻土地区的地下防护工程建设提供理论依据。

不同赋存温度环境下的各类型冻土材料热物理特性存在显著差异，开展高寒高海拔地区多年冻土抗侵彻特性研究时，能制备出满足温度控制要求的冻土靶体并揭示出靶体内冻结温度场的分布规律是后续开展大量侵彻模型试验最为基础而重要的工作。通过研究不同温度下温度场和水分场中热物理参数对冻土靶体制备的耦合影响，获取模型试验所需冻土靶体内部温度梯度分布规律，确定试验靶体达到设定温度时所需要的时间，阐述冻土抗侵彻试验靶体制备技术并对冻结粘土、冻结砂土、冻结粉土等3种典型冻土抗侵彻靶体的温度场进行了数值模拟。研究表明在同等条件下，粉土靶内部温度梯度达到一致所需要的时间最长，粘土靶次之，而砂土靶所需要的时间最短，为后续顺利开展冻土抗侵彻特性模型试验提供依据。

为研究制式弹药侵彻毁伤冻土的过程，进行了弹丸侵彻冻土实验，制备了不同温度的冻土靶板试样并采用56式步枪进行实弹射击试验。实验结果表明：冻土材料具有明显的温度效应，随温度降低，冻土靶板强度显著增强，弹丸在冻土靶板中侵彻深度随之降低；温度对于弹丸侵彻深度与弹道轨迹影响较大，弹丸在常温状态下土壤靶板中翻转现象较为严重，而在冻土靶板中弹丸姿态保持较好，未出现翻转。利用有限元计算软件对弹丸侵彻冻土材料进行仿真计算，分析了冻土温度和含水率对侵彻能力的影响，得到了弹丸侵彻能力与温度和含水率的关系式。仿真结果表明：弹丸侵彻深度随冻土温度的降低而线性降低；冻土含水率的增大先减小后增大。

针对高原寒区多年冻土环境中的地下工程防护问题,在考虑冻土特性和环境对冻土性能的影响基础上,对多年冻土的抗侵彻性能进行了数值模拟研究。依据冻土分布和力学基本性能,考虑温度梯度对冻土抗剪指标的影响,采用LS-DYNA有限元法建立了高原寒区多年冻土层的抗侵彻计算模型。弹体和靶板分别采用J-C和D-P模型,并加入失效准则使模型更加贴近侵彻实际。通过数值模拟并对比理论计算和经验公式,认为冻土温度的连续性变化对冻土抗侵彻性能的影响较为显著,与前期理论计算结果较吻合,可为高原寒区地下工程建设的防护计算提供理论依据。

为深入探讨弹体对高寒高海拔地区多年冻土的侵彻作用,从多年冻土温度特性出发,用符合冻土特性的摩尔-库伦强度准则推导该地区抗侵彻深度理论计算公式。结果表明,该公式能反映冻土温度与侵彻阻力关系,为空腔膨胀理论在冻土材料中的有益尝试。将理论分析计算结果与Young侵彻公式计算结果比较知,最大侵彻深度与速度变化趋势一致,理论公式的合理性获得论证。案例分析表明,多年冻土层温度状况对弹体最大侵彻深度关系较密切,能较客观的反映冻土类材料特性。

本文利用LS-DYNA3D数值仿真软件,研究了球缺形药型罩杆式射流的形成和对冻土介质的侵彻;分析了杆式射流对冻土介质的侵彻过程;模拟了不同炸高下紫铜和铝合金2种材料药型罩形成的杆式射流侵彻冻土的状况。数值模拟结果与试验结果对比表明:本文所采用的计算方法、材料模型及相关参数是合理的,验证了数值模拟的正确性,对进一步优化杆式射流的设计具有一定的借鉴意义。