受受火弹丸侵彻过程的数值模拟分析

受受火弹丸侵彻过程的数值模拟分析

0防护措施的目标问题随着科学技术的发展，常见武器的精度和作战能力都得到了提高。此外，电子探测技术也越来越成熟。许多重要的国防和民事工程不得不面临直接击中打击的威胁。据预测,未来先进常规武器将有如下终端特征:(1)新的高强材料;(2)新的外壳设计;(3)采用助推器,具有更高的终端速度;(4)长径比更大,有更大的截面荷载;(5)更有效的弹头形状;(6)通过姿态控制达到更强的侵入性能;(7)利用激光瞄准和红外传感器达到针尖命中精度;(8)用雷达搜索器对目标进行识别。因此,在未来战争中,没有较好防护措施的目标是难以立足的。精确制导常规武器之所以对防护工程构成了极大的威胁,主要在于其冲击侵彻能力的增强。在现代高技术局部战争中,如何提高重要工程抗冲击侵彻能力已经成为热门研究的问题。为了提高工程的冲击抗侵彻能力,目前主要采取的措施是给防护工程增加遮弹层。遮弹层的工作原理不外乎两种:一种是采用新型材料,增加遮弹层的强度,阻止弹体的侵彻;另一种主要是采用合理的遮弹层结构形式,使来袭弹丸发生偏转,减小弹丸的侵彻深度。刚玉材料的主要成分AL2O3,密度3800kg/m3,强度和硬度都很高,本文提出的刚玉球混凝土遮弹层为单层紧密排列的刚玉球加混凝土层,其结构从上到下依次为混凝土保护层、单层紧密排列的刚玉球层和混凝土层,是一种新型结构遮弹层,其工作原理是依靠坚硬的刚玉球层阻尼止弹丸的侵彻或者是使来袭弹丸发生偏转。对于新型结构遮弹层的研究最为有效的方法是试验研究方法。由于目前我国的经济还不是很发达,进行大规模的试验研究又受到经费的限制,此时数值模拟分析便显得非常重要。随着计算机技术的发展,许多大型有限元程序得到了不断的改进,其计算能力得到不断提高,数值模拟技术越来越成熟,已经成为侵彻问题研究不可缺少的重要手段。数值模拟技术不仅可以弥补试验研究的不足,真实再现弹丸在靶体中的侵彻弹道轨迹曲线,而且可以将试验结果进行扩展,对侵彻进行规律性、机理性的研究与分析,数值模拟分析又被称为数值试验,足见其重要性。本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对单层紧密排列刚玉球混凝土的抗冲击特性进行了数值分析,为重要工程抗冲击侵彻措施的研究与设计提供参考和依据。1模拟计算结果为验证材料参数取值的合理性和计算方法的正确性,本文首先对弹丸在混凝土中的侵彻过程进行了模拟计算,并将计算结果与经验公式给出的结果进行对比。1.1弹性模量材料模型弹体:根据参考文献弹丸低速侵彻混凝土时,除了表面有擦痕外,弹体几乎不变形,在计算中可以将弹体视为刚体。为使计算具有针对性,计算中弹体的几何尺寸与低阻爆破航弹MK84的几何尺寸相近,即弹径0.457m,弹体长2.5m,弹质量894kg弹头形状取为半球形。靶体:靶体为c40混凝土材料。在弹体侵彻靶板的高速碰撞问题中,材料强度会出现动力提高现象,根据和,考虑材料强度的提高,将混凝土视为均匀介质,经过计算,c40混凝土材料基本力学参数为:密度2.5(t/m3),泊松比0.2,抗压强度50.2(N/mm2),弹性模量3.9×104(N/mm2)。弹、靶有限元计算模型见图1。采用8节点三维实体单元对模型进行网格划分,为更好地反映材料几何大变形和失效等非线性问题,计算中采用单点积分和沙漏控制。弹体与靶体之间的接触界面采用面-面接触中的侵蚀算法。1.2sij-13y201硬化函数计算中混凝土材料采用各向同性流体弹塑性模型。屈服函数如式(1)所示:ϕ=12sijsij−13σ2y≤0(1)ϕ=12sijsij-13σy2≤0(1)其中σy=σ0+fn(εpeffeffp)+(α1+α2p)max(0,p)硬化函数:fn(εpeffeffp)=Epεpeffeffp塑性模量:Ep=EtEE−EtEp=EtEE-Et有效塑性应变增量:εpeff=∫t0(23△εpeff△εpij)1/2dtεeffp=∫0t(23△εeffp△εijp)1/2dt1.3弹体轴线与目标表面法线相垂直计算中弹体速度方向与其轴线方向一致,即攻角为0°,而且,弹体轴线与目标表面法线的夹角为0°,即垂直侵彻目标,弹体着靶速度340m/s。1.4结果表明，弹体的侵彻轨迹见图2,图3、4分别为弹丸的位移时程曲线和速度时程曲线。从图3可以看出弹体在混凝土中的侵彻深度为1.59m。1.5结构参数的确定1946年美国国防研究委员会(NDRC)提出了不变形射弹侵彻大体积混凝土目标的理论,该理论与试验结果符合良好。计算弹体侵彻深度的NDRC公式见(2)和(3)。该公式的优点是以侵彻理论为依据,外推到试验数据以外时置信水平较高。美国空军防护结构设计手册(PCDM)采用此公式。XD=2[180NWD2.8f0.5c(V1000)1.8]0.5XD≤2.0(2)XD=2[180ΝWD2.8fc0.5(V1000)1.8]0.5XD≤2.0(2)XD=180NWD2.8f0.5c(V1000)1.8+1.0XD＞2.0(3)XD=180ΝWD2.8fc0.5(V1000)1.8+1.0XD＞2.0(3)其中:D——射弹直径(in,m);fc——混凝土的无侧限抗压强度(psi,pa);N——射弹头部形状影响系数(球形头弹N=1.0);V——射弹撞击速度(ft/s,m/s);W——射弹重量(Ib,kgf);X——射弹在厚目标(背面边界条件影响可以忽略,目标厚度比侵彻深度大得多)中的侵彻深度——弹尖到目标表面的距离(in,m)。弹、靶材料和初始条件与模拟计算中的相同,将弹体和靶体的几何参数和材料参数代入公式(3),可得弹体在混凝土中的侵彻深度为1.61m。有限元的计算结果与经验公式的计算结构相近,说明计算方法是正确的,材料参数的取值是合理的。2刚玉球铺设的面积和位置刚玉球材料的主要成分为AL2O3,密度3800kg/m3,强度和硬度都很高,在弹丸低速(340m/s)冲击侵彻问题中可以将其视为刚体。为了便于研究刚玉球混凝土的抗冲击侵彻特性,靶体中仅设一行紧密排列的刚玉球,由于问题的对称性,弹、靶均可取一半进行计算,减小了计算工作量。实际工程中,刚玉球层铺设的面积应该很大,计算中为了排除边界效应的影响,尽量与实际问题相符合,对靶体中最外部刚玉球的水平位移进行了约束。计算中刚玉球直径等于2/3弹径。由于刚玉球层表面为曲面,因此弹着点位置的不同也将对弹体的侵彻和偏转造成一定的影响,为此,在计算中考虑了三种情况:①弹体轴线方向经过刚玉球中心;②弹体轴线从两个刚玉球中间经过;③弹体轴线方向偏离刚玉球中心1/2刚玉球半径。弹体的有限元模型、靶体的混凝土材料模型以及计算的初始条件同弹体对混凝土侵彻计算的初始条件。。2.1弹体速度时程曲线弹、靶有限元计算模型及网格划分见图5,应力分布及弹体的弹道轨迹见图6,弹体侵彻深度时程曲线见图7,弹体速度时程曲线见图8。从图7可以看出弹体的侵彻深度为0.89m。从图6和图8可以看出弹体在侵彻过程中同时与三个刚玉球发生碰撞,由于最外部的刚玉球被施加了水平方向的约束,与弹体碰撞的刚玉球没有被挤向两边,而是随着弹体向下运动,弹坑的深度较小,比素混凝土弹坑深度减少了44%。2.2弹体的侵彻深度弹、靶有限元计算模型及网格划分见图9,应力分布及弹体的弹道轨迹见图10,弹体侵彻深度时程曲线见图11,弹体速度时程曲线见图12。从图11可以看出弹体的侵彻深度为1.3m。从图10和图12可以看出弹体在侵彻过程中同时与两个刚玉球发生碰撞,由于最外部的刚玉球被施加了水平方向的约束,与弹体碰撞的刚玉球没有被挤向两边,而是随着弹体向下运动,刚玉球层被弹体打散,部分刚玉球飞出靶体,与文献中的试验现象相似。弹体的侵彻深度比在素混凝土中的侵彻深度减小了18%。2.3弹体侵彻深度弹、靶有限元计算模型及网格划分见图13,应力分布及弹体的弹道轨迹见图14,弹体侵彻深度时程曲线见图15,弹体速度时程曲线见图16。从图15可以看出弹体的侵彻深度为1.06m。从图14和图16可以看出弹体在侵彻过程中同时与多个刚玉球发生碰撞,由于弹体在侵彻过程中受到了不对称力的作用,攻角增大,发生了偏转,弹体的最终偏转角达到了28°(弹体轴线与靶体法线之间的夹角)。刚玉球层被弹体打散,部分刚玉球飞出靶体,弹坑中有刚玉球暴露,与文献中的试验现象相似。弹体的侵彻深度比在素混凝土中的侵彻深度减小了33%。3密排列刚玉球混凝土冲击侵彻深度的增长从以上的计算结果及分析中可以得出以下几点结论:(1)弹体在混凝土中冲击侵彻的有限元计算结果与经验公式给出的结果吻合较好,说明有限元计算的方法是正确的,材料参数和模型的选取是合理的。(2)弹体对单层紧密排列刚玉球混凝土冲击侵彻的计算结果与文献中的试验现象和试验结果相近。(3)对于单层紧密排列刚玉球混凝土,刚玉球直径等于2/3弹径,弹体轴线经过玉球的中心时,弹体的侵彻深度比在素混凝土中的侵彻深度减小了44%;弹体