弹体侵彻混凝土靶的数值模拟

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发布时间：2021-09-10

资料介绍

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250000
春，杨少伟
2．山东省建筑科学研究院。济南250000)
【摘要】利用AUTODYN一3D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】TU528．572 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2OLO)O9—0062—03
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AUTODYN数值模拟中，具有适合各种
情况的强度模型和侵蚀模型(EOS)，本文中采用John—
son—Cook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—eH) (1)
式中，参考状态P 和e 符合Hugoniot一冲击曲
，，|n 、
线，y是Gruneisen常数f l。
1．1．2 弹体强度模型
弹体的强度模型符合Johnson—Cook材料模型：
⋯s“ 1+Cln 一(箍) ]
式中，和8。是参考温度(室温)和参考应变率
(1s )，A(Pa)、 (Pa)；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，导致在具体描述其力学
性能时非常困难。Herrman(1969)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EOS部分，混凝土的RHT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。Herrman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隙率系数，可以得到方程(4)：
P=Al +A2 +A3 +(B0+BlIx)poe
=p／p。一1 (3)
P= P，e) 一尸= pa，e)，
=1+(ct~-1)＼／ Ploek-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)。(It
(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