弹体攻角侵彻混凝土数值模拟
弹体侵彻混凝土过程中炸药动态响应数值模拟
弹体侵彻混凝土过程中炸药动态响应数值模拟贾宪振;李媛媛;郭洪卫;王建灵;高立龙【摘要】采用动力学计算程序AUTODYN对弹体侵彻混凝土过程进行了数值模拟.重点分析了弹体内部炸药所受压力的变化规律及装药与壳体之间的相互作用.数值模拟结果表明:弹体在侵彻过程中,装药前端主要受压缩作用,导致弹体前端的炸药产生明显的塑性应变.弹体尾部装药受到拉伸和压缩作用,并且装药和壳体尾部之间发生强烈碰撞,装药遭受明显的冲击作用.根据计算结果,侵彻型弹药设计应重点防护装药前端和尾部.%The process that a loaded projectile penetrated into a concrete target was simulated by using hydro-dynamic code AUTODYN. The study emphasis focused on the pressure imposed on the explosive charge and the interaction between the explosive charge and the projectile shell. Calculated results show that: the fore of the explosive charge mainly endures compressed effect which induces to plastic damage, and the tail of the explosive charge endures both compressed effect and tensile effect, as well as it is impacted by the tail shell which leads to strongly shock effect on the tail of explosive charge during the projectile penetration. According to our investigation, both the fore and the tail of the explosive charge need to be protected in the projectiles are used to penetration.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)011【总页数】4页(P2528-2531)【关键词】爆炸力学;炸药;侵彻;动态响应;数值模拟【作者】贾宪振;李媛媛;郭洪卫;王建灵;高立龙【作者单位】西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】O389;TJ55侵彻内爆型弹药可用于打击地下深层工事、混凝土/钢筋混凝土结构工事等军事目标［1，2］。
高速弹体冲击侵彻混凝土靶数值模拟分析
高速弹体冲击侵彻混凝土靶数值模拟分析摘 要： 采用有限元程序LS-DYNA 对高速弹体侵彻混凝土靶进行了数值仿真研究，根据Hamilton 原理和有限元理论建立了由弹塑性动力学控制方程。
结果表明：接触冲击算法能较为真实反映高速弹体对混凝土靶的侵彻过程；不同速度及弹头长径比不同的弹体对混凝土靶的侵彻深度有较大影响；通过与经验公式的验算结果对比进行误差分析，证明数值分析所得结果可靠。
基于HJC 材料模型的损伤分析可以提取出靶体单元的损伤情况。
研究结果对我国高速弹体对混凝土靶体的侵彻设计具有重要参考价值。
关键词：哈密尔顿原理;动力学控制方程;侵彻；经验公式；损伤Numerical simulation of High-velocity projectilepenetrating concrete targetsAbstract:LS-DYNA finite element software was applied to simulate the concrete target penetrated by High-velocity rigid projectile ，According to Hamilton principle and finite element theory, the dynamical governing equation of non-conservative system consist of elastic-plastic material was built. The result show that: the process of High-velocity projectile penetrating concrete targets can be well demonstrated by the contact impact algorithm . The velocity and the Hr/d ratio of projectile significant effect penetrating depth ;there were a contrast between the results from the formulas and the result from Numerical simulation , prove the Numerical simulation are reliable .based on the Johnson-Holmquist-concrete constitutive relations and damage model ,concrete element damage can obtained. The simulation result provide some reference for the design of projectiles and targets.Key words :Hamilton principle ; dynamical governing equation ; penetration ;emprical formula ;damage1 引言高速弹体在军事上有着广泛的应用，它能够钻入地下，贯穿防护工事，进入目标内部发生爆炸。
弹体侵彻混凝土数值模拟失效指标研究
混凝土作为防护结构的常用材料 ,它的抗侵彻性 能自从二战以来一直为国际上的研究热点 ,以往的研 究大多基于试验结果寻找分析简化模型和侵彻深度经 验公式 。在最近 10年里 ,随着数值仿真技术的日趋成 熟 ,混凝土目标侵彻数值模拟受到了广泛关注 ,而冲击 混凝土模型的建构则成为是数值模拟的关键 。目前比 较常 见 的 混 凝 土 冲 击 模 型 有 HJC 混 凝 土 模 型 ( Holmquist2Johnson2Cook 模 型 ) [ 1, 2 ] , RHT 模 型 [ 3 ] (R iedel2Thoma2H ierm er模型 ,伪张量模型 [ 2 ]和 K&C 模 型 [ 2, 4 ] (混凝土损伤模型 ) ,脆性损伤模型 [ 2 ] 等等 。而 其中 HJC混凝土模型又因为模型参数相对较少应用时 较为方面 ,以往的工作主要关注模型参数的选取和运 用 [ 5 - 8 ] 。本文在前人研究和运用基础上 ,采用立方体 压缩和拉伸数值模拟揭示 HJC混凝土材料的基本力学 特性 ,并将该模型用于数值模拟 Hanchak侵彻试验 [ 9 ] , 采用不同的失效指标计算弹体残余速度 ,对比试验实 测余速和靶板破坏现象后标定了失效指标影响 。
图 4 三轴压缩模拟应力和应变关系曲线
3 分析实例
对 Hanchak侵彻试验采用 HJC混凝土模型进行数 值模拟 ,钢筋混凝土靶板尺寸为 610 mm ×610 mm ×78 mm ,配有三层正交钢筋 (图 9) ,单根钢筋长度为 143. 7 mm ,钢筋直径为 5. 69 mm ,钢筋网格尺寸为 76. 2 mm × 76. 2 mm。钢弹头 CRH 比率为 3, 弹 体直 径为 25. 4 mm ,弹体材料密度为 8 020 kg /m3 ,弹性模量为 206. 9 GPa,屈服强度为 1. 72 GPa, 弹体采用 Cowper - Sym2 onds[ 10 ]模型计入应变速率影响 ,混凝土材料参数取值 见表 1。
弹药侵彻混凝土过载性能的数值模拟
摘
榕 ， 文 峥 徐
０Ｏ５ ） ３ Ｏ １
（ 北大学化工与环境 学院 ， 原 中 太
要 ： 过 建 立 弹 靶 系 统 ， 析 侵 彻 模 型 及 弹体 内 部 炸 药 所 受 冲 击 载 荷 的动 态 响应 ， 通 分 旨在 揭 示 弹 药 在 侵 彻 混
凝 土 冲 击 环 境 下 的过 载 特 性 ， 而 运 用 ＡＮＳ Ｓ Ｌ 进 Ｙ ／ Ｓ—ＤＹ ＮＡ 模 拟 软 件 ， 用 相 应 的 弹 药 以及 靶 板 数 学 模 型 ・ 采 对 弹 药 侵 彻 一 定 强 度 混凝 土 靶 板 进 行 了仿 真 计 算 ， 别 得 出 了 弹体 与 内 部 炸 药 的 过 载 曲线 。并 将 弹体 的 过 载 分
ｓ ｆｗａ ｅＡＮＳ ／ ０ ｔ ｒ ＹＳ ＬＳ—ＤＹＮＡ．ａ ｏ ｔｎ ｆｔ ｅｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉｇ ａ ｄ ｐｉｇｏ ｈ ０ ｒｓ ｏ ｄｎ ｍｍｕ ｉｉｎ ａ ｄ ｔｒ ｅ ｄ ｌ ｎ ｈ ｒ ｃｓ ｆｔｅａ ｎｔ ｎ ａｇ ｔｍｏ ｅ，ａ ｄｔ ｅｐ ０ ｅ ｓ０ ｈ ｍ— ｏ ｍｕ ｉｏ ｅ ｅｒｔ ｈ ｏ ｃｅｅｗａ ｉ ｌｔｄ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔｄ，ｔ ｅｃ ｒ ｅ ｆｐ ｏｅｔｌ ｎ ｘ ｌｓＶ ｒ ｏ ｅ ｐ ｃｉｅ ｎｔ ｎｐ ｎ ｔａｅｔ ｅｃ ｎ ｒｔ ｓｓｍｕａｅ ｎ ｏ ｕｅ ｉ ｈ ｕ ｖ ｓ０ ｒ ｊｃｉ ａ ｄｅ ｐｏ ｉｅｗｅ ｅｇ ｔｒｓ ｅ ｔＶ — ｅ
Ａｂ ｔ ｔＢ ｕ１ｉｇ ｔ ｅｓｒ ｃｕ ｅｏ ｒｊｃＩ ｎ ａｇ ｔ ｈ ｅ ｅｒｔ ｎｍｏ ｅ ｎ ｈ ｙ ａ ｃｒｓ ｏ ｓ ｆ ｘ ｌｓＶ ｓＩ ： ｙ ｂ ． ｎ ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｆｐ ０ｅ ｔ ｅａ ｄｔ ｒ ｅ ．ｔ ｅｐ ｎ ｔａｉ ｄ ｌａ ｄ ｔｅｄ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ０ ｐ０ ｉｅ ｃ ｄ ｌ ０ ｅ
弹体侵彻混凝土靶板的数值模型
一
点处 （ 即很小一部分面 积），只能承受和传递力 ；平行粘结 模型发生 在颗粒接触点处的一个有限的圆形 区域 ， 能同时承受力和力矩的作用 ，
离散 元法 除了可 以模拟散体材 料以外 ，也可 以用来模拟复 合材料 莫 氏硬度为 ６ ． ６ ，且弹体冲击靶板中央时未接触到钢筋 ，即弹体侵彻后 和胶结材 料，以其独特的处理 方式 ，可以将多个颗粒在接触 点处通过 的残余速度 受钢筋的影 响很小 ，所 以本文 所建的数值模型也没 有考虑 种特殊 的粘结方式粘结 成一个整体。两种典型 的粘结模 型 ：接触粘 钢 筋的作 用，如 图 ４ 所示 ，混 凝土离散 元模型 中的 颗粒大 小为 ５ ｍ ｍ 结模 型和平行粘结模型 。接触 粘结模型只发生在接触颗粒之 间的接触 １ ０ ａｍ 。 ｒ
内在特性 ，这个模型 默认情况下是处 于激 活状态 （ 除非接触粘结模型 存在） ，该模型不提供 法向拉伸的强度 ，并 允许 两个接触实体在接 触
点处产生 相对滑移 。
图 ３颗粒 Ａ 与颗粒 Ｂ 平行连接
滑动模型是 通过 接触体间最小摩擦系数 定义 的而 成，若 颗粒 间
当粘 结形成时 ， 和 均初始化为零 ，以后在接触处 由位 移增 量和旋转增量引起的弹性力和力矩的增量将迭加在当前值 中。
程度 ，但是无论 是经验公式还是无量纲分析 的理 论模型 ，均将混凝土 材料认为是 均匀连续性介质 ，无参数涉及到 弹体侵 彻混凝土靶板过程
量
中的偏转 问题。随着 目前计算机技术 的快 速发展 ，数值模拟逐渐成 为
了解 决复 杂力学分析 问题的主要手段之 一 ，对于混凝土靶板侵彻 问题 的数值模 拟分析也越来越多 ，同时也取得 了一定的研究成果 ，但大部
１ ３ ０
动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究及其数值模拟的开题报告
动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究及其数值模拟的开题报告【开题报告】一、研究背景和意义动能弹垂直侵彻混凝土是一种重要的力学问题，涉及到军事、工程结构与安全等领域，对混凝土结构的防护能力评价有着重要意义。
然而，由于混凝土的本身复杂性和强度非线性，动能弹垂直侵彻混凝土的机理和规律十分复杂。
因此，开展动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究和数值模拟具有非常重要的理论和实践意义，同时对提高我国相关工程技术水平也将起到积极的推动作用。
二、研究内容和方法1. 研究内容本研究的目的是开展动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究和数值模拟研究，分析混凝土在受到动能弹撞击后的裂纹扩展规律、变形变化及破坏模式等问题，进一步评估混凝土结构的击穿防护能力，为工程实践提供理论依据。
2. 研究方法(1) 实验研究：通过静态拉压试验、冲击压缩试验等，从材料本身、结构性能、应力-应变关系等方面对混凝土的力学特性进行实验测定，为建立数值模型提供基础数据。
同时，采用万能试验机和动能弹道试验机，开展动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究，记录冲击过程中混凝土的力学响应和破坏模式。
(2) 数值模拟：基于有限元模拟软件ABAQUS，建立动能弹垂直侵彻混凝土数值模型，采用合适的数值模拟方法，模拟混凝土的应力、应变分布和冲击破坏过程，通过与实验结果进行比对，验证数值模拟的可靠性和准确性。
三、研究进展及计划目前，已完成混凝土材料力学性能实验、万能试验机和动能弹道试验机的试验样品制备工作。
接下来，将开展混凝土动能弹垂直侵彻实验研究和数值模拟，并进一步探讨混凝土击穿防护能力评价的相关问题。
具体的工作计划如下：(1) 建立混凝土数值模型，确定参数，选择适当的材料本构关系，验证模型合理性。
(2) 开展动能弹垂直侵彻混凝土实验，测量实验过程中动能弹的速度、质量及形状，记录混凝土的应力、应变、位移等响应数据。
(3) 将实验数据输入ABAQUS中进行数值模拟，分析力学响应、裂纹扩展、破坏模式等。
弹丸侵彻混凝土靶的MSC.Dytran数值模拟
其 力学性 状 表现 出非均 质 、 线 性 、 非 时率 相关 性及
脆性破坏等复杂性质 ， 使理论分析十分困难 ； 数值 方 法逐 渐 成 为研 究 高 速 侵 彻 贯 穿 方 面 的 主要 方
收稿 日期 ： ０ ２— —１ ２１ ０ ４ ０
ＬＵＯ ｎ， Ｉ Ｌｉ Ｘ ＮＧ ｅ ｇ ｕ ｎ Ｚｈ ｎ ｑ ａ
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Ａｂｓｒ ｃ ：Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐｅ ，ｔ ｅ Ｊ ｈ ｏ Ｃｏ ｋ ｃ ｓｉｕ ｉ ｅ ｍｏ ｅ ｔ ｉ ｈ— ｒ ｓ ｕ ｅ ｅ ｕ ｔ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｉ ａ ｒ ｈ ｏ ｎｓ ｎ— ｏ ｏｎ ｔ ｔｖ ｄ ｌｗｉｈ ｈ ｇ ｐ ｅ ｓ ｒ ｑ ａ ｉ ｔ ｏｎ ｏ ｔ ｔ ｏ ｏ ｒ ｔ ｓｉ ｓ ｒｅ ｎ ｏ ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔＭ Ｓ Ｄｙ ｒ ｎ，ｗｉｈ ｉ ｉ ｌｔｏ ｎ ｐ ｎ ｆ ｓａｅ ｆ ｒｃ ｎｃｅ ｅ ｉ ｎ ｅ ｔｄ ｉｔ ｉｅ ｅｅ ｎ Ｃ． ｔａ ｉ ｔ ｔｓｍｕ ａｉ ｎｓｏ ｅ —
Ｋｅ ｒ ｓ ｒ ｅｔｅ ｃ ｎ ｒｔ； ｅ ｅ ａ ｏ ； ｕ ｒ ａ ｙｓ ｕａ ｏ ｙｗｏｄ ：ｐｏ ｃ ｌ； ｏ ｃｅ ｐ ｎ ｔ ｔ ｎ ｎ ｍｅ ｃｌ ｉ ｌ ｉｎ ｊ ｉ ｅ ｒｉ ｉ ｌ ｍ ｔ
动 能 弹对 混凝 土 和地质 材 料 的侵 彻 贯穿 一 直
是 武器研 制 和 工 程 防 护所 关 心 的 问题 ， 心 的焦 关
文献 标志 码 ：Ａ
弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟
C AM E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n文章编号:1009-3443(2005)05-0459-05弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟纪 冲, 龙 源, 万文乾(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)摘 要:为了对弹丸侵彻钢纤维混凝土问题进行数值模拟研究,在有限元计算中引入了Holmquist-Johnson-Co ok 累积损伤材料模型以描述钢纤维混凝土的非线性变形及断裂特性,弹丸作为刚体处理。
侵彻深度计算结果与在 14.5m m 弹道炮上所获得的试验结果相吻合,并很好地模拟了在侵彻过程中钢纤维混凝土靶的成坑、层裂现象。
在此基础上分析了钢纤维混凝土这种新型复合材料抗侵彻性能的影响因素。
计算结果表明,HJC 本构模型用来描述钢纤维混凝土的侵彻问题是可行和有效的。
关键词:钢纤维混凝土;侵彻;数值模拟;侵彻深度;韧度中图分类号:O 385;E 932.2文献标识码:ANumerical simu lation of projectile penetrating intosteel fiber reinforced concreteJ I Chong , LON G Yuan , W AN Wen -qian(Enginee ring Institute o f Co rps of Engineers,P L A U niv.of Sci.&T ech.,N anjing 210007,China)Abstract :Kinetic energ y projectile penetra ting into steel fiber reinfo rced co ncrete (SFRC )target w as simulated by the finite element metho d,w here the pro jectile w as considered to be rigid.To describe nonlinear deforma tio n and fracture cha racteristics o f SFRC ,Holmquist -Johnso n -Cook constitutiv e rela tions and damage model w ere incorporated into com putatio ns.The num erical results o f penetration depth w ere in goo d ag reem ent w ith recent ex perimental results obtained fro m 14.5mm gun.The crater fo rm atio n ,spall o f SFRC target in the process o f penetra tion w ere simula ted v ery w ell .The influence facto rs of anti -penetra tio n properties o f SFRC w ere studied .The feasibility and v alidity of applying the H JC concrete model to simulating such pro blem as penetratio n in SFRC w ere co nfirmed.Key words :SFRC (steel fiber reinfo rced concrete);penetration;numerical simulatio n;penetratio n depth;toughness index 收稿日期:2005-01-26.基金项目:北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金资助项目(KFJJ 03-5).作者简介:纪 冲(1981-),男,博士生.联系人:龙 源,教授,博士生导师;研究方向:爆破器材及爆炸作用;E-mail :Long -yuan @s oh . 钢纤维混凝土SFRC (steel fiber reinfo rced concrete)是在素混凝土中掺入乱向分布的钢纤维后所形成的一种新型多相复合材料。
弹体侵彻混凝土靶的数值模拟
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 （ ） 引人材料的孑 隙率 系数 ， ３ ， Ｌ 可以得到方程 （ ） ４ ：
Ｐ＝ ｌ ＋ ２ ＋ ３ ＋（ ０ ＢＩ ｐｅ Ａ Ａ Ａ Ｂ ＋ ｌ） ｏ ｘ ＝ ／。 １ ｐｐ 一 Ｐ＝ Ｐ ｅ 一 ，） 尸＝ ｐ ｅ ， ａ，） （） ３
看出 ， 初始速度越大 ， 弹体反 向运 动 速度越 大 ， 表明靶 体内积累的弹性能也越多 。对于相 同弹体侵彻相同靶
Ｐ 和完全密 实压力 Ｐ 之 间 的关 系见 方程 （ ） Ｉ 。 ４ 。（ ｔ
Ｐ＝ ＋ （ — Ｈ Ｐ 古 ｅ ｅ）
（） １
（ ，） 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 ．．
式 中， 考状 态 Ｐ 参 和 ｅ 符合 Ｈ ｇｎｏ 一冲击 曲 ｕｏｉ ｔ
混凝 土是一种非均匀 的多孔 的材料 ， 力学性能 其 呈现出复杂 的非线性 。Ｈ ｒ ａ ｅ ｍ ｎ建立 了考虑混凝 土材 ｒ
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
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 ， 出与侵 彻相关 的所有 物理量 ， 给 如应 力场 、
变形 场、 微裂纹 的演化 过程等。
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 、 Ｌ 基体材料 的不 同 ， 孑 隙、 导致在 具体描述 其力学
弹体攻角侵彻混凝土数值模拟
第28卷 第1期爆炸与冲击Vol.28,No.1 2008年1月EXPLOSION AND SHOC K WAV ES J an.,2008 文章编号:100121455(2008)0120033205弹体攻角侵彻混凝土数值模拟3马爱娥1,黄风雷1,初 哲2,李金柱1(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;2.西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘要:利用L S2D YNA程序的用户自定义模型功能,在L S2D YNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。
模型拉伸部分用Taylor2Chen2Kuszmaul(TC K)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist2Johnson2Cook(HJ C)强度模型。
模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。
利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。
关键词:爆炸力学;动态损伤模型;数值模拟;混凝土 中图分类号:O385;TJ4012.4 国标学科代码:130・3530 文献标志码:A1 引 言 混凝土目标侵彻和贯穿的数值模拟研究越来越受到重视,其中混凝土的动态损伤、失效模型以及开发相应的数值算法成为该方向的研究热点及难点。
目前应用较广的本构模型有Taylor2Chen2Kusz2 maul(TC K)[1]、Holmquist2Johnson2Cook(HJ C)[2]及Riedel2Thoma2Hiermaier(R H T)[3]模型。
TC K 模型以脆性拉伸损伤为主,损伤演化与平均拉应力、裂纹密度和体积应变率有关,该模型能较好地反映开坑、崩落以及裂纹扩展,但是未考虑材料的压缩损伤累积以及材料在压缩下的非弹性响应,致使预测的弹体剩余速度和侵彻深度偏差较大[4]。