動能彈垂直侵徹混凝土的實(shí)驗(yàn)研究及其數(shù)值模擬

劉士踐,李勝才

(林同棪國際(廣州)工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510170)

彈體對混凝土的侵徹是包含大變形以及損傷和破壞的動態(tài)過程,研究彈體對混凝土的侵徹對防護(hù)工程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。混凝土是由骨料顆粒和水泥漿基體構(gòu)成的復(fù)合材料,其內(nèi)部具有大量初始微裂紋、間斷以及空穴[1],這類介質(zhì)在沖擊載荷作用下的損傷破壞涉及很寬的時空尺度,使理論分析十分困難[2]。目前的研究方法中,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究必不可少,但現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)往往耗資巨大,而且一些數(shù)據(jù)不易獲得。本文在侵徹對比試驗(yàn)基礎(chǔ)上,應(yīng)用顯示動力有限元程序?qū)炷恋目箘幽軓椡铔_擊侵徹特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,對于這類大變形、高壓、高應(yīng)變率的混凝土侵徹問題,合理的材料模型成為數(shù)值模擬結(jié)果有效性的重要前提。為了描述混凝土材料的非線性變形特性,在計算中引入了Holmquist-Johnson-Cook累計損傷材料模型。

1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)彈采用 BLU-109B鉆地模型彈,其縮比尺寸為 1∶12.28,主要參數(shù)見表 1。

?

靶體采用預(yù)先配置好的混凝土材料制作,其抗壓強(qiáng)度 σt=85MPa,密度 ρ=2560 kg/m3,泊松比 υ=0.24;靶體直徑為 1500mm,厚度為 800mm。試件外箍鋼模板。

試驗(yàn)采用 30mm炮平射,并采用高速攝影機(jī)攝取彈頭著靶姿態(tài),使用網(wǎng)靶和 HG 202G-3型測時儀測量彈體飛行速度,試驗(yàn)裝置如圖 1所示。

彈丸著靶速度V、侵徹深度 H和彈坑直徑是研究侵徹問題的重要參數(shù)?；炷涟性囼?yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)見表 2。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

?

從表 2可以看出,在靶體強(qiáng)度相同的情況下,侵徹深度隨初速度的增加而增加,這與通常意義上的結(jié)論是相符合的。

靶前崩落區(qū)的直徑和深度與彈丸的侵徹初速度和彈體外徑有很大的關(guān)系。一般而言,崩落區(qū)的直徑和深度與彈丸的著靶速度和直徑成一定的比例。Forrestal[3]公布的崩落區(qū)深度約為侵徹彈徑的 2倍左右,直徑約為彈徑的 4倍左右,而本試驗(yàn)中,成坑深度是彈徑的 3-10倍左右,成坑直徑是彈徑的 10倍以上。造成這樣的原因一方面可能是本試驗(yàn)的侵徹速度比較高,彈丸在著靶瞬間,對混凝土靶產(chǎn)生的沖擊和沖撞較大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了混凝土靶的抗壓強(qiáng)度,加之混凝土本身為脆性材料,受到巨大的沖擊后,迅速斷裂,從靶體剝落而飛濺開來;而Forresta侵徹試驗(yàn)的速度較低,屬于中低速侵徹范疇,一般在 500m/s之內(nèi),由此造成的沖擊肯定比 829 m/s高速狀態(tài)下對混凝土的沖擊小的多,試驗(yàn)結(jié)果也表明,彈丸著靶速度增加,崩落區(qū)的面積也隨之加大。另一方面是混凝土靶體的強(qiáng)度過高,混凝土表面過硬,彈體在撞擊混凝土靶體的瞬間會產(chǎn)生較大的阻力,從而使彈坑崩落區(qū)面積較大。

2 數(shù)值模擬

本文采用 LS-DYNA非線性有限元程序?qū)椡枨謴鼗炷恋脑囼?yàn)進(jìn)行模擬。BLU-109/B模擬彈采用 Johnson-Cook模型來描述,其材料參數(shù)見表 3,混凝土靶體采用Holmquist-Johnson-Concret(H-J-C)模型來描述,其材料模型參數(shù)見表 4。

?

?

?

數(shù)值模擬結(jié)果見表5和表6。

?

?

從表5中可以看出數(shù)值模擬得到的侵深值和彈坑直徑值與試驗(yàn)得到的侵深值和彈坑直徑值相差不大,誤差均沒超過 5%。因此可以得出,選擇H-J-C本構(gòu)模型和Johnson-Cook模型分別作為混凝土和彈丸的本構(gòu)模型,同時通過 LS-DYNA3D而得到的數(shù)值模擬能較好地反映了彈丸速度對侵徹深度的影響規(guī)律。

從表6中可以看出數(shù)值模擬得到的侵深值要略小于實(shí)驗(yàn)值,對于這種計算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差,我們作了如下的分析,認(rèn)為造成這種情況可能是由于混凝土的本構(gòu)參數(shù)引起的。由于目前混凝土的本構(gòu)關(guān)系仍然是不成熟的,特別是當(dāng)應(yīng)用在高應(yīng)變率響應(yīng)條件下時更為明顯。要找到一個非常貼切的本構(gòu)關(guān)系來描述混凝土的特性是非常困難的。而且由于當(dāng)混凝土使用不同的材料,包括水泥的標(biāo)號、配比,沙石的強(qiáng)度、粒度等因素以及固化時間、混凝土所處的地質(zhì)條件(如含水量)等,都會影響到混凝土的強(qiáng)度及其他特性,所以實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所使用的混凝土其特性參數(shù)都會因各種原因而表現(xiàn)千差萬別。我們沒有對所做實(shí)驗(yàn)中使用的混凝土進(jìn)行各種材料性能的實(shí)驗(yàn),所以很難保證計算中所采用的混凝土的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中所用的混凝土參數(shù)大致相當(dāng)。我們在計算中所使用到的混凝土參數(shù)除了混凝土強(qiáng)度為實(shí)驗(yàn)使用的混凝土強(qiáng)度,其它材料常數(shù)取自 1998年 Johnson-Holmquist會議論文并做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,雖然這些參數(shù)對混凝土而言一般具有普遍性,但文獻(xiàn)中所給出的混凝土參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中所采用的混凝土的參數(shù)是否一致或在多大程度上相符,不得而知。因此我們認(rèn)為是混凝土的本構(gòu)參數(shù)的選擇使數(shù)值模擬得到的侵深結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值兩者出現(xiàn)偏差的主要原因。

3 結(jié)束語

本文通過不同比尺的鉆地模型彈侵徹混凝土的現(xiàn)場試驗(yàn)及其數(shù)值模擬,分析研究了侵徹模擬彈在不同初速度下對混凝土的侵徹效應(yīng),即對混凝土的侵徹深度、成坑半徑及靶體的響應(yīng)。初步得出了 BLU-109B鉆地模型彈及原型彈對混凝土的侵徹效應(yīng)、侵徹能力和靶體的響應(yīng)規(guī)律。

[1]梁仁旺,張明,白曉紅.水泥土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2001,22(2):211-213

[2]Georgin JF,Reynouard JM.Modeling of structures subjected to impact:concrete behaviour under high strain rate[J].Cement and Concrete Composites,2003,25:131-143

[3]M JForrestal,BSAltan,D Cargile,S JHanchak.An empirical equation for penetration depth of ogive-nose projectile intoconcrete targets.Int.J.Impact Energy,1994(15):395-405