弹体侵彻混凝土靶的数值模拟.pdf
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1、6 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9期 ( 总第 1 4 7期) 弹体侵彻混凝土靶 的数值模拟 贾志臣 , 杨 ( 1 山东聊建建设有限公 司。 济南2 5 0 0 0 0 春 , 杨少伟 2 山东省建筑科学研究院 。 济南2 5 0 0 0 0 ) 【 摘 要】 利用 A U T O D Y N一 3 D有限元计算软件对钢纤维混凝土靶板以及新型抗侵彻组合层的侵彻过程进 行了数值模拟, 得到了靶板破坏形态、 弹体侵彻过程的速度变化等重要的侵彻参数和规律。 【 关键词】 弹体; 混凝土靶; 数值模拟 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】
2、1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 O L O ) O 9 0 0 6 2 0 3 数值模拟是材料抗侵彻研究 中的一种重要的研 究方法 “ 。弹体对钢纤维混凝土靶板的侵彻问题是 一 个 过 程十分 短暂 的高压 力、 大应 变 的非线 性 问题 。 由于实验技术和测试手段的限制, 侵彻过程中的某些 参数 ( 如弹体 侵彻 过程 的速 度和 侵彻 阻力 、 靶板 的破 坏过程等 ) 目前还很难 通过 侵彻实验 直接获得 。从 理 论上讲 , 数值模拟可以非常逼真地再现侵彻全过程的 所有细节, 给出与侵彻相关的所有物理量, 如应力场、 变形 场、 微裂纹 的演化 过程等。 弹体对各种靶体的侵彻
3、是包含大变形乃至损伤 和破坏 的动态过程 。材料 的损伤 和破坏是一个很复杂 的问题 , 是 与材料 性质 密切 相关 的 。描述 混凝 土 材料 在弹丸 高速 撞击 条 件下 的 动态破 坏行 为需 要 一 个完整的本构模型 , 它应能处理材料在拉伸加载下的 脆性断裂, 和压缩加载下的破坏行为。目前多将混凝 土简化为各 向同性 的 弹塑性模 型, 用 空腔理 论加 以理 论推导 , 最初应用 的是不 可压缩 的弹塑性模型 , 后来发 展到利用 可压缩 的弹塑性材料模 型的力学特性 。 1 材料模型及其参数 1 1 弹体材料模型及其参数 在钢弹体侵彻混凝土靶体的模拟过程 中, 弹体的 强度通常
4、比混凝 土强度 大得 多, 弹体冲击混凝 土试 件 后基本 没有 变形 , 仅弹体 表面有 一小部分 被侵蚀 。基 于此, 需要建立一个侵彻过程中弹体材料的状态方程 和强度模型, 在 A U T O D Y N数值模拟中, 具有适合各种 情况的强度模 型和侵蚀模型( E O S ) , 本 文 中采用 J o h n s o n C o o k强度方程 和冲击侵蚀模型 。 1 1 1 弹体的状态方程 弹体的状态方程符合冲击状态方程, 应力 P是比 体积 和比内能 e 的函数如下式所示: P= P + 古( e e H ) ( 1 ) 式 中, 参 考状 态 P 和 e 符合 H u g o n
5、 i o t 一冲击 曲 , | n 、 线, y 是G r u n e i s e n 常 数f l 。 1 1 2 弹体强度模型 弹体的强度模型符合 J o h n s o n C o o k 材料模型: s “ 1 + C ln 一 ( 箍 ) 式 中, 和8 。 是 参考 温 度 ( 室温 ) 和参 考应 变率 ( 1 s ) , A ( P a ) 、 ( P a ) ; n为与材料有关 的材料参数 , C 是应变率常数 ; 是材料 的熔化温度 。 1 2 混凝土材料模型及其参数 混凝土是一种组成非常复杂的材料, 由于其内部 骨料 、 孑 L 隙、 基体材料 的不 同 , 导致在 具
6、体描述 其力学 性能时非常困难。H e r r m a n ( 1 9 6 9 ) 提出了一种考虑混 凝土孔隙的状态方程, 其中还包含了对混凝土失效模 拟非常重要的 E O S部分, 混凝土的 R H T模型中同样 包含压力过程中失效材料的残余强度。下面列出材料 模 型的主要组成部分。 1 2 1 混凝土状态方程 混凝 土是一种非均匀 的多孔 的材料 , 其 力学性能 呈现出复杂 的非线性 。H e r r m a n建立 了考虑混凝 土材 料多孔性的状态方程, 下面对其提出的方程进行简单 介绍。假设完 全 密实 的混凝 土 材料 满足线 性 多项式 ( 3 ) , 引人材料的孑 L 隙率 系
7、数 , 可以得到方程 ( 4 ) : P= A l + A 2 + A 3 +( B 0 + B l Ix ) p o e = p p 。 一 1 ( 3 ) P= P , e ) 一尸= p a, e ) , = 1 + ( c t - 1 ) P loe k - P J ( 4 ) 对于完全压实 的材料 , 孔 隙率系数 为 1 , 压力 P 等于 P , 压 力 根 据 式 ( 3 ) 计 算。初 始 孔 隙 率 压 力 P 。 和完全密实压力 P 之间的关系见方程( 4 ) 。( I t ( P , e ) 给出了材料在材料被完全压实 P 和具有孔隙 P 之间的关 系。 1 2 2 混
8、凝土强度模 型 混凝土跟其它脆性材料一样 , 其抗拉强度、 极限抗 贾志 臣等 : 弹体侵彻混凝土靶的数值 模拟 6 3 拉应变很低 , 另外 , 随 着加载速 率 的增 加 , 混凝 土 的强 度也随之增加 , 因此 需要建立 一个复 杂的强度 模 型把 混凝土在变形时的拉压行为和残余 强度联 系起来。 R i e d e l 、 H i e r m a i e r 和 T h o m a提 出了一 种在 预测 混凝 土 靶体侵彻深度时采用的模型( R H T ) , 该模型 目前 已嵌 入 到 A U T O D Y N有 限元软 件 中。与 J o h n s o nC o o k模 型
9、不同的是, 材料的强度与受到的压力有关 , 计算过程 中对于已失效的材料 , 其仍然具有残余强度。 失 效面可 以看作 是一 个沿 着 压力 子午 线 的强 度 ( P ) 的函数 , 再乘 以因式 F ( s ) 和 R , ( ) 。 r , a i 。 =y T x ( P ) F ( 6 ) R , ( ) ( 5 ) 2有 限元模型 的建立 根据试件的对称性, 建立 四分之一的三维轴对称 有限元 模型进行计算。靶体 尺寸为 3 6 0 m m X 3 6 0 m m X 4 0 0 m m; 弹体为卵形弹, 分为 C R H 1 和 C R H 2 , 具体尺寸 见图 1 。弹体初速
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