弹丸不同倾角侵彻混凝土影响分析.pdf

第1期 （总第125期）机 械 管 理 开 发2012年2月 No.1 （SUM No.125）MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTFeb.2012 0引言 弹体以不同入射角冲击特定目标时， 由于受重力 和空气阻力因素影响， 弹体飞行方向将发生一定角度 的偏差。对此， 国内外学者对一定入射角侵彻方面做 了相关研究。由于弹丸侵彻实验周期长、 危险性高， 利 用国际通用动力学分析软件LS- DYNA3D, 通过卵形 弹丸高过载侵彻混凝土靶板来提供过载环境， 对弹丸 侵彻过程进行了数值分析， 提高弹丸在不同倾角的复 杂服役载荷中的安全性能， 具有重要意义。 1理论模型 1.1材料本构关系 弹体采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性随动 模型[1]。 σ y = 1+ (ε / C) 1 p (σ 0+βEpε eff p).(1) 式中:σ 0为初始屈服应力；ε为应变率； C为应变率参 数；ε eff P 为有效塑性应变；EP为塑性硬化模量。 混凝土材料采用H-J- C模型， 是描述高冲击、 高 应变率条件下混凝土动态响应较为合适的材料模型， 公式如下： σ=[]A(1- D)+ BP N (1+ Clnε ) .(2) 式中:A为归一化的内聚强度; D为损伤度; B为归一化 的压力硬化系数; N 为压力硬化指数;C为应变率系数; σ= σ / fc,Smax为归一化的最大强度;p*= p/ fc为归一 化压力，ε * = ε / ε 0 为量纲一的应变率,ε 为真实应变 率,ε 0 =1.0 s- 1为参考应变率。 1.2材料相关参数 表1弹体、 混凝土材料参数 名称 弹体 混凝土 密度/ （ g/cm3） 7.83 2.24 剪切模量/Pa 1500 1.487 104 泊松比 0.28 - -- -- 抗压强度/Pa --- - 23 本文模拟曲率为6的卵形弹丸倾斜与垂直侵彻混 凝土靶的动态过载特性， 弹体、 混凝土参数， 见表1。 2侵彻几何模型 2.1模型建立和网格划分 ANSYS前处理实体建模。弹体、 靶体采用实体 Solid164单元类型， 网格划分采用Lagrange法。计算模 型取 1/2模型, 为了优化模型， 保证精度， 靶板与弹丸 接触区网格加密。对称面施加沿法线对称边界约束， 混凝土靶板外圆面上施加全自由度约束和非反射边界 约 束。弹体和靶板之间的接触 算法， 采用*CON TACT_SURFACE_TO_SURFACE_ERODING； 计算时采 用控制等效失效应方法， 删除失效单元和节点。计算 时间为1 500μ s。 2.2有限元模型 弹丸内部为空腔， 形状为CRH=6卵形弹头， 总长 320 mm,直径45 mm。混凝土靶板为圆柱形， 厚270 mm， 直径500 mm。弹靶径比[2]为11； 弹丸、 混凝土靶有限元 模型， 见图1。 混凝土靶 图1侵彻有限元模型 3数值模拟结果及分析 侵彻模拟计算中， 初始速度为 350 m/s,弹丸与靶 板表面法线方向为0 、 15 、 45 、 75 入射角， 靶板强 度为23 MPa。 由图2看出， 当初始速度、 靶板强度一定时， 弹体 与靶板表面正法线方向小于45 时， 弹体侵彻过程机 械功消耗大， 弹体剩余速度越小； 入射角大于45 时， 收稿日期： 作者简介： 刘月胜()， 男， 山西运城人， 在读硕士研究生， 研究方向： 高过载侵彻数值模拟仿真研究。：y@ 63 弹 丸 不 同 倾 角 侵 彻 混 凝 土 影 响 分 析 刘月胜， 徐文峥 （中北大学 化工与环境学院， 山西太原030051） 摘要： 为了考察弹丸在不同入射角侵彻过程的特性， 利用有限元分析软件对弹丸过载环境进行数值模拟。通过 分析得到弹丸侵彻过程中的弹体位移、 过载加速度、 应力曲线， 揭示了弹体侵彻靶板的加载特性。结果表明： 弹丸入 射角越小， 侵彻效果好， 达到毁伤目标物目的； 倾角越小弹头部受到损伤越大。 关键词： 数值分析； 斜侵彻； LS- DYNA 中图分类号： TJ430文献标识码： A文章编号： 1003- 773X （2012） 01- 0093- 02 3 2011- 09- 19 1978-E- mail . 9 第1期 （总第125期）机 械 管 理 开 发2012年2月 侵深最少， 剩余速度最大。 图2弹体横向位移随时间变化曲线 见图 3， 弹体与混凝土靶板表面正法线方向入射 角小于45 时， 侵彻表现为3个阶段： 1）0~600 μ s为弹 头部部分侵入阶段 （开坑 阶段） ； 2）600~1 000 μ s为弹 头部分及弹杆部分侵入阶段 （侵彻通道形成阶段） ； 3） 1 000~1 500 μ s为贯穿靶板或弹体停止阶段。 图3弹体过载加速度时间历程曲线 t=500 μ s 图4弹体跳弹效果图 从图4看出， 入射角75 时， 弹丸产生跳弹现象,此 时弹头部侧部及弹身侧面擦过靶板， 弹体机械功能量 消耗最少， 未完成侵彻的三个阶段， 弹体从靶板表面侧 擦产生跳弹， 飞离靶板。 入射角0 图5弹头部某单元应力曲线 当弹丸高速侵彻混凝土靶板时， 弹体中存在着弹 性波和塑性波两种应力波， 其中塑性波的幅值比弹性 波高。塑性波幅值越高， 弹丸自身的损伤越大。从图 6可看出， 入射角为0 时， 应力波的波幅高， 作用时间 长； 入射角越小， 应力波波幅匀称， 塑性波幅值高， 弹丸 受到冲击损伤大。 4结束语 对弹体侵彻过程进行数值模拟， 从弹体位移， 过载 加速度曲线分析弹丸， 得出： 1）弹丸入射角越小， 符合 侵彻的三个阶段， 弹体不产生跳弹， 侵彻效果最好。 2）随着入射角增加， 弹丸侵深减小， 最大过载G值减 小， 机械作功时间短。3）弹丸所受应力随入射角增加 变小， 应力越小， 弹丸受到损伤越小， 侵彻效果随之 变差。 参考文献 [1]LSTC.Ls- dyna Keyword User’ s Manual,Version 971:Nonlin ear dynamic analysis of Structures in three dimension[M]. Livermore:LSTC,2006:1067- 1069. [2]韩丽,高世桥.混凝土靶体尺寸对过载影响的数值研究[J]. 计算机仿真,2007,24(6):1- 4. Projectile Penetration Concrete Impact Analysisof Different Inclination LIU Yue- sheng, XU Wen- zheng (ChemicalEngineeringand Environmentof NorthUniversityof China, Taiyuan 030051, China) Abstract： In order to investigate the process of projectile penetration at different incidence angles characteristic analysis, finite element anal ysis software environment of the projectile is simulated of the overload. Obtained by analyzingthe displacement of the projectile penetration process shot, acceleration and of stress overload curves, reveals the projectile penetrating the target plate load characteristics. The results showed that:the smaller the angle of the projectile, better effect of penetration, todamage the target goal. The smaller the angle, the greater of fMy f K y：y;q; LS DYN the damage o theinistr o warheads. ewords numeirical anal sis obli ue penetration-A 94