預制破片對厚壁圓管的橫向高速沖擊作用研究

朱桂利， 李偉兵， 王曉鳴 ， 李文彬(南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室，南京　210094)

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預制破片對厚壁圓管的橫向高速沖擊作用研究

朱桂利， 李偉兵， 王曉鳴 ， 李文彬(南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室，南京210094)

摘要：為了獲得厚壁圓管在橫向高速沖擊下的響應(yīng)規(guī)律，進行了預制破片沖擊圓管試驗，得到不同沖擊速度作用下圓管的響應(yīng)模態(tài)及侵徹深度，并采用LS-DYNA對整個動態(tài)變化過程進行了仿真研究，獲得了侵徹過程中預制破片的速度變化規(guī)律及圓管壁厚和預制破片長徑比對極限穿透速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明侵徹深度與沖擊速度線性相關(guān)；圓管壁厚在7 mm～8 mm之間時對圓管極限穿透速度影響最大；預制破片長徑比低于1.5時，對圓管極限穿透速度有顯著影響，但其影響效果隨自身的增大而逐漸削弱，當達到3.5左右時極限穿透速度不再變化。

關(guān)鍵詞：厚壁圓管；預制破片；高速沖擊；極限穿透速度；數(shù)值仿真

圓管結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于能源、軍工和石油化工等領(lǐng)域，其工作狀態(tài)極度復雜，且內(nèi)部多有高溫或易燃易爆介質(zhì)，一旦受到?jīng)_擊破壞，將會對人們的生命財產(chǎn)造成不可估量的損失。因此，圓管在外部沖擊作用下的響應(yīng)問題一直為國內(nèi)外學者所關(guān)注，Jena等[1]分析了管道受沖擊作用下形成的斷口，發(fā)現(xiàn)在撞擊區(qū)與絕熱剪切帶之間有一個過渡帶，其區(qū)域大小取決于撞擊角度；Jones等[2]針對管道受沖擊后的形變問題，介紹了一種通過理想化局部管道橫截面來預測最終實際整體橫截面位移的方法；周麗軍等[3]研究了自由圓管中心部位受橫向沖擊時的動力學行為，獲得了自由圓管被穿透時子彈的臨界速度和臨界動能；路國運等[4]仿真研究了自由圓柱殼在側(cè)向沖擊時的變形歷程和最終的變形模態(tài)及能量分配，分析了自由圓柱殼對沖擊載荷的響應(yīng)特點；紀沖等[5]針對固支鋼質(zhì)薄壁圓柱殼受半球頭彈體側(cè)向局部沖擊問題進行數(shù)值模擬，研究表明圓柱殼破壞模式與彈體沖擊傾角、沖擊速度等因素有關(guān)；秦慶華等[6]采用鋼塑形假定得出了圓管局部變形和整體彎曲的計算模式，并進行了試驗驗證。然而，見諸報告針對圓管的試驗方法多為重物墜落、輕氣槍和落錘沖擊等，所采用的子彈沖擊速度僅在300 m/s左右甚至更低，這與實際步槍子彈、爆炸破片等沖擊圓管的速度有較大差異。

本文針對兩端固支的厚壁圓管，試驗研究其在預制破片高速橫向沖擊下的響應(yīng)情況，分析不同沖擊速度對侵徹深度的影響規(guī)律，并仿真研究厚壁圓管的高速沖擊侵徹過程及其響應(yīng)特性，找出圓管壁厚及預制破片長徑比對厚壁圓管極限穿透速度的影響規(guī)律。

1預制破片侵徹厚壁圓管試驗研究

1.1試驗方案與布置

為了研究厚壁圓管在高速沖擊下的動力響應(yīng)，獲取其極限穿透速度和極限穿透能，分析其抗侵徹能力，針對長度800 mm、外徑100 mm、壁厚9 mm的圓管，采取表1所示的試驗方案進行預制破片侵徹厚壁圓管試驗，試驗布置示意圖如圖1所示。

試驗圓管材料為45#鋼，兩端用支座剛性固定在支撐架上，支撐架底部安裝有螺栓可調(diào)節(jié)高度，以便瞄準；采用的圓柱體預制破片由鎢合金制成，長度11 mm，直徑8 mm，預制破片由14.5 mm彈道槍發(fā)射。由于破片直徑小于槍管口徑，設(shè)計了專用彈托以確保破片正常發(fā)射，彈托由尼龍車削而成；發(fā)射藥采用由小粒黑和多45組成的混合火藥，通過改變火藥混合比例及藥量來改變預制破片的發(fā)射速度，發(fā)射時火藥裝入藥筒，通過彈道槍擊針擊發(fā)底火引燃火藥發(fā)射破片。圖2為試驗現(xiàn)場布置圖，采用紙靶和六通道測速儀測定預制破片速度，設(shè)置了3個紙靶，測試并計算獲得預制破片的沖擊速度。

表1　試驗方案

圖1　試驗布置示意圖Fig.1 Experimental layout diagram

圖2　試驗現(xiàn)場布置Fig.2 Field experimental arrangement

1.2實驗結(jié)果與分析

按照表1所示的試驗方案，試驗獲得不同速度預制破片沖擊作用下圓管的響應(yīng)模態(tài)，如圖3(a)～圖3(e)所示。

方案1中，預制破片速度為394 m/s，作用于圓管表面后跳飛，并在圓管表面留有凹坑，這是破片和圓管表面接觸后受力不均且沖擊能量不足共同導致的；方案2、3和4顯示，隨著沖擊速度的增大，破片在圓管表面開坑并嵌入其中，速度越大嵌入深度越深，當破片速度為551 m/s時，破片已完全嵌入圓管；方案5中，破片速度達到611 m/s，破片直接貫穿圓管，形成規(guī)則的侵徹孔，孔徑略大于預制破片直徑，四周有輕微翻邊，破壞模式為沖塞破壞。 因此，認為圓管極限穿透速度在551 m/s至611 m/s之間。

圖3　圓管沖擊響應(yīng)模態(tài)Fig.3 Response modes of prefabricate fragment impact circular tube

測量獲得不同沖擊速度對應(yīng)的侵徹深度L，見表2。隨著沖擊速度的增大，侵徹深度越深，兩者呈正相關(guān),沖擊速度為551 m/s時，侵徹深度為9.48 mm，大于圓管壁厚，這是因為圓管發(fā)生了塑性變形，當沖擊速度達到611 m/s時，圓管被完全貫穿，并有充塞片形成，這時侵徹深度L達到最大值11.92 mm。

表2　不同沖擊速度作用下侵徹深度

2預制破片侵徹圓管仿真研究

為了觀察預制破片沖擊圓管的動態(tài)變化過程，分析圓管的響應(yīng)情況及破片的侵徹特性，進一步精確圓管的極限穿透速度，采用與試驗研究一致的圓管對象和研究方案進行預制破片侵徹圓管仿真研究。

2.1有限元模型建立與材料模型選取

仿真采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，采用高速碰撞常用的Lagrange算法，在進行計算的時候，網(wǎng)格往往會發(fā)生嚴重畸變，使得計算難以進行，所以在模擬過程中采用斷裂侵蝕機制和畸變侵蝕技術(shù)[7]，并將預制破片與圓管直接作用及附近區(qū)域的網(wǎng)格加密。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，建立二分之一有限元模型，如圖4所示，在左側(cè)對稱邊界面上施加對稱約束，在右側(cè)圓管邊界處施加非反射邊界。

圖4　有限元模型Fig.4 Finite element models

圓管材料為45#鋼，圓柱預制破片為鎢合金，由于圓管在沖擊載荷的作用下是大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的流變行為，所以采用Johnson-Cook材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述其動態(tài)響應(yīng)過程[8]。

Johnson-Cook本構(gòu)方程式為：

圓管及預制破片對應(yīng)材料參數(shù)如表3所示[9]：

GRUNEISEN狀態(tài)方程表達的壓力表達式為：

(γ0+αμ)E

有限元模型中對應(yīng)的材料特性參數(shù)為，45#鋼，C=0.456 9 cm/us，S1=1.49，γ0=2.17，α=0.46；鎢合金，C=0.399 cm/us，S1=1.24，γ0=1.54。

表3　材料參數(shù)

引入Johnson-Cook失效模型來體現(xiàn)材料的變形及斷裂行為。該模型以最大塑性應(yīng)變來判斷材料是否失效，其動態(tài)失效應(yīng)變表達式如下：

式中,σ*為壓力和等效應(yīng)力的比值，即：

σ*=P/σeff

D1，D2，D3，D4，D5為失效參數(shù)

2.2仿真結(jié)果及其分析

采用上述有限元模型及材料參數(shù)，對預制破片高速沖擊圓管的過程進行數(shù)值仿真。沖擊速度與試驗研究中測得的破片速度一致，獲得圓管在不同速度預制破片沖擊作用下的響應(yīng)情況，如圖5所示。在預制破片沖擊作用下，圓管主要破壞形式為局部剪切破壞，隨著沖擊速度增大，圓管外表面翻邊現(xiàn)象越發(fā)明顯，內(nèi)部逐漸出現(xiàn)鼓包，當沖擊速度達到611 m/s時，鼓包與圓管脫離形成充塞塊。

圖5　圓管響應(yīng)情況Fig.5 Response of tube

仿真同時獲得圓管在不同速度預制破片沖擊作用下的侵徹深度，獲得了侵徹深度隨破片沖擊速度的變化規(guī)律曲線，并與試驗結(jié)果進行了對比，如圖6所示。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，采用此仿真模型及方法模擬預制破片沖擊圓管的整個動態(tài)過程是可行的。

圖6　試驗與仿真結(jié)果對比Fig.6 Contrast of numerical calculationand experiment onpenetration depth

圖7顯示了預制破片在侵徹過程中的速度變化。分析方案5的速度變化規(guī)律，在預制破片與圓管接觸的初始階段5～15 μs，速度呈線性急劇下降，其加速度在1.89×107m/s2左右，破片動能迅速轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，接觸區(qū)域溫度急劇升高，圓管外層被壓垮，實現(xiàn)開坑；隨著侵徹過程的進行，從15 μs開始進入穩(wěn)定侵徹階段，破片速度下降趨勢變慢，其加速度在4.45×106m/s2至9.47×106m/s2之間連續(xù)變化，直到65 μs穿透圓管。對比其它4種方案發(fā)現(xiàn)，開坑階段，破片加速度均在2.0×107m/s2左右；而在穩(wěn)定侵徹階段，沖擊速度越低，破片加速度越大，速度下降趨勢越快。

圖7　預制破片速度變化規(guī)律Fig.7 Change law on the velocity of theprefabricate fragment

2.3管道壁厚對極限穿透速度的影響

極限穿透速度是預制破片穿透圓管所需最小速度，沖擊速度低于則無法穿透圓管。在上述5種研究方案基礎(chǔ)上仿真得到圓管壁厚δ為9 mm時對應(yīng)的為606 m/s。保持圓管其它參數(shù)不變，僅改變其壁厚δ，數(shù)值模擬得到壁厚與極限穿透速度的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8　極限穿透速度Vu與壁厚δ的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between the ultimate velocity and wall thickness

從圖8可知，圓管極限穿透速度Vu與壁厚δu總體呈正相關(guān)，但極限穿透速度Vu隨壁厚δu變化的快慢并不相同：4 mm≤δ<7 mm時,Vu1=29.18+264.7，對應(yīng)線段斜率為29.1，極限穿透速度Vu隨壁厚δ變化較慢；7 mm≤δ<8 mm時，Vu2=88δ-144，對應(yīng)線段斜率為88，極限穿透速度Vu隨壁厚δ的增加急劇上升；8 mm≤δ≤13 mm時，Vu3=52δ+137.7，相應(yīng)線段斜率為52，壁厚δ對極限穿透速度Vu的影響作用又有所削弱。綜合對比發(fā)現(xiàn)，圓管較厚時，壁厚δ對極限穿透速度Vu的影響較大，在壁厚δ處于7 mm～8 mm時尤為明顯，對圓管進行安全性設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮。

2.4破片長徑比對圓管極限穿透速度的影響

保持圓管參數(shù)及預制破片質(zhì)量不變，改變破片直徑，以獲得不同的預制破片長徑比l/d，仿真得到l/d對圓管極限穿透速度Vu的影響規(guī)律曲線，如圖9所示。

圖9　破片長徑比與極限穿透速度Vu的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between the ultimate velocity and the length-diameter ratio

擬合圖9曲線可得:

圓管極限穿透速度與破片長徑比總體呈負相關(guān)，當l/d為0.704時，Vu為728 m/s，l/d為0.966時，Vu為658 m/s，l/d為1.375時，Vu為606 m/s，變化幅度分別為9.6%、7.9%；而當l/d為2.05時，Vu為550 m/s，l/d為3.26時，Vu為529 m/s，減幅分別為7.5%和3.8%。分析表明，破片長徑比低于1.5時對極限穿透速度影響較大，隨著l/d的增大其對Vu的影響越來越小，當l/d大于3.5時對Vu已幾乎沒有影響。

3結(jié)論

本文針對厚壁圓管在高速沖擊作用下的響應(yīng)，采用彈道槍發(fā)射不同速度的預制破片，研究了不同沖擊速度對圓管侵徹深度的影響規(guī)律，仿真再現(xiàn)了厚壁圓管的高速沖擊侵徹過程及其響應(yīng)特性，并計算分析了圓管壁厚δ及預制破片長徑比l/d對厚壁圓管極限穿透速度Vu的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 預制破片對厚壁圓管的高速沖擊過程可分為開坑階段、穩(wěn)定侵徹階段與沖塞階段，其中開坑階段破片速度變化快慢相同，到了穩(wěn)定侵徹階段，沖擊速度越低，衰減越快。

(2) 圓管較薄時，壁厚δ對極限穿透速度Vu影響較小，隨著壁厚δ的增大，極限穿透速度Vu隨壁厚δ變化而變化的速率明顯加快，當壁厚δ在7 mm～8 mm之間時其變化幅度可高達18.6%。

(3) 圓柱形預制破片長徑比l/d低于1.5時，對圓管極限穿透速度Vu有顯著影響；但其影響效果隨自身的增大而逐漸削弱，當l/d達到3.5左右時Vu維持在545 m/s左右不再變化。

參 考 文 獻

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Lateral high-velocity impact action of prefabricate fragments on a thick-walled tube

ZHUGui-li,LIWei-bing,WANGXiao-ming,LIWen-bin(ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To get the response law of a thick-walled tube under lateral high velocity impact, tests for prefabricate fragments impacting a circular tube were conducted. The tube’s response modes and penetration depths were obtained under different impact velocities. The whole dynamic process was simulated with LS-DYNA. The velocity change law of prefabricate fragments and the effect laws of wall thickness of tube and length-diameter ratio of fragment on the ultimate penetration velocity were obtained. The results indicated that there is a significant linear correlation between penetration depth and impact velocity; the effect of the wall thickness of 7-8 mm on the tube’s ultimate penetration velocity is the maximum; the effect of the prefabricate fragment’s length-diameter ratio less than 1.5 on the tube’s ultimate penetration velocity is obvious, but its effect gradually decreases with increase in itself; when it reaches 3.5, the ultimate penetration velocity dose not change.

Key words:thick-walled tube; prefabricate fragment; high velocity impact; ultimate velocity;numerical simulation

中圖分類號:TA410

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.018

通信作者李偉兵 男，博士，副教授，1982年生

收稿日期：2015-01-23修改稿收到日期：2015-03-12

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11202103)；南理工紫金之星培養(yǎng)基金資助(2013zj-0201)

第一作者 朱桂利 男，碩士，1991年生