動能彈垂直侵徹混凝土的實驗研究及其數值模擬

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過程,研究彈體對混凝土的侵徹對防護工程具有十分重要的現實意義。混凝土是由骨料顆粒和水泥漿基體構成的復合材料,其內部具有大量初始微裂紋、間斷以及空穴[1],這類介質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,現場實驗研究必不可少,但現場實驗往往耗資巨大,而且一些數據不易獲得。本文在侵徹對比試驗基礎上,應用顯示動力有限元程序對混凝土的抗動能彈丸沖擊侵徹特性進行了數值模擬分析,對于這類大變形、高壓、高應變率的混凝土侵徹問題,合理的材料模型成為數值模擬結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 試驗研究

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

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靶體采用預先配置好的混凝土材料制作,其抗壓強度 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。

試驗采用 30mm炮平射,并采用高速攝影機攝取彈頭著靶姿態,使用網靶和 HG 202G-3型測時儀測量彈體飛行速度,試驗裝置如圖 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。混凝土靶試驗的實測數據見表 2。

圖1 試驗裝置示意

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

靶前崩落區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系。一般而言,崩落區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的侵徹速度比較高,彈丸在著靶瞬間,對混凝土靶產生的沖擊和沖撞較大,遠遠超過了混凝土靶的抗壓強度,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侵徹試驗的速度較低,屬于中低速侵徹范疇,一般在 500m/s之內,由此造成的沖擊肯定比 829 m/s高速狀態下對混凝土的沖擊小的多,試驗結果也表明,彈丸著靶速度增加,崩落區的面積也隨之加大。另一方面是混凝土靶體的強度過高,混凝土表面過硬,彈體在撞擊混凝土靶體的瞬間會產生較大的阻力,從而使彈坑崩落區面積較大。

2 數值模擬

本文采用 LS-DYNA非線性有限元程序對彈丸侵徹混凝土的試驗進行模擬。BLU-109/B模擬彈采用 Johnson-Cook模型來描述,其材料參數見表 3,混凝土靶體采用Holmquist-Johnson-Concret(H-J-C)模型來描述,其材料模型參數見表 4。

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數值模擬結果見表5和表6。

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從表5中可以看出數值模擬得到的侵深值和彈坑直徑值與試驗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本構模型和Johnson-Cook模型分別作為混凝土和彈丸的本構模型,同時通過 LS-DYNA3D而得到的數值模擬能較好地反映了彈丸速度對侵徹深度的影響規律。

從表6中可以看出數值模擬得到的侵深值要略小于實驗值,對于這種計算值與實驗值的偏差,我們作了如下的分析,認為造成這種情況可能是由于混凝土的本構參數引起的。由于目前混凝土的本構關系仍然是不成熟的,特別是當應用在高應變率響應條件下時更為明顯。要找到一個非常貼切的本構關系來描述混凝土的特性是非常困難的。而且由于當混凝土使用不同的材料,包括水泥的標號、配比,沙石的強度、粒度等因素以及固化時間、混凝土所處的地質條件(如含水量)等,都會影響到混凝土的強度及其他特性,所以實際實驗中所使用的混凝土其特性參數都會因各種原因而表現千差萬別。我們沒有對所做實驗中使用的混凝土進行各種材料性能的實驗,所以很難保證計算中所采用的混凝土的參數與實驗中所用的混凝土參數大致相當。我們在計算中所使用到的混凝土參數除了混凝土強度為實驗使用的混凝土強度,其它材料常數取自 1998年 Johnson-Holmquist會議論文并做適當的調整,雖然這些參數對混凝土而言一般具有普遍性,但文獻中所給出的混凝土參數與實驗中所采用的混凝土的參數是否一致或在多大程度上相符,不得而知。因此我們認為是混凝土的本構參數的選擇使數值模擬得到的侵深結果與實驗值兩者出現偏差的主要原因。

3 結束語

本文通過不同比尺的鉆地模型彈侵徹混凝土的現場試驗及其數值模擬,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,即對混凝土的侵徹深度、成坑半徑及靶體的響應。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、侵徹能力和靶體的響應規律。

[1]梁仁旺,張明,白曉紅.水泥土的力學特性試驗研究[J].巖土力學,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