預(yù)制破片對(duì)厚壁圓管的橫向高速?zèng)_擊作用研究

朱桂利， 李偉兵， 王曉鳴 ， 李文彬(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京　210094)

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預(yù)制破片對(duì)厚壁圓管的橫向高速?zèng)_擊作用研究

朱桂利， 李偉兵， 王曉鳴 ， 李文彬(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京210094)

摘要：為了獲得厚壁圓管在橫向高速?zèng)_擊下的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行了預(yù)制破片沖擊圓管試驗(yàn)，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(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，獲得了侵徹過(guò)程中預(yù)制破片的速度變化規(guī)律及圓管壁厚和預(yù)制破片長(zhǎng)徑比對(duì)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(xiàn)性相關(guān)；圓管壁厚在7 mm～8 mm之間時(shí)對(duì)圓管極限穿透速度影響最大；預(yù)制破片長(zhǎng)徑比低于1.5時(shí)，對(duì)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(dāng)達(dá)到3.5左右時(shí)極限穿透速度不再變化。

關(guān)鍵詞：厚壁圓管；預(yù)制破片；高速?zèng)_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(fù)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(huì)對(duì)人們的生命財(cái)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(wèn)題一直為國(guó)內(nèi)外學(xué)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(gè)過(guò)渡帶，其區(qū)域大小取決于撞擊角度；Jones等[2]針對(duì)管道受沖擊后的形變問(wèn)題，介紹了一種通過(guò)理想化局部管道橫截面來(lái)預(yù)測(cè)最終實(shí)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(shí)的動(dòng)力學(xué)行為，獲得了自由圓管被穿透時(shí)子彈的臨界速度和臨界動(dòng)能；路國(guó)運(yùn)等[4]仿真研究了自由圓柱殼在側(cè)向沖擊時(shí)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(duì)沖擊載荷的響應(yīng)特點(diǎn)；紀(jì)沖等[5]針對(duì)固支鋼質(zhì)薄壁圓柱殼受半球頭彈體側(cè)向局部沖擊問(wèn)題進(jìn)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(jì)算模式，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。然而，見(jiàn)諸報(bào)告針對(duì)圓管的試驗(yàn)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(shí)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(duì)兩端固支的厚壁圓管，試驗(yàn)研究其在預(yù)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(duì)侵徹深度的影響規(guī)律，并仿真研究厚壁圓管的高速?zèng)_擊侵徹過(guò)程及其響應(yīng)特性，找出圓管壁厚及預(yù)制破片長(zhǎng)徑比對(duì)厚壁圓管極限穿透速度的影響規(guī)律。

1預(yù)制破片侵徹厚壁圓管試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)方案與布置

為了研究厚壁圓管在高速?zèng)_擊下的動(dòng)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(duì)長(zhǎng)度800 mm、外徑100 mm、壁厚9 mm的圓管，采取表1所示的試驗(yàn)方案進(jìn)行預(yù)制破片侵徹厚壁圓管試驗(yàn)，試驗(yàn)布置示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)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(zhǔn)；采用的圓柱體預(yù)制破片由鎢合金制成，長(zhǎng)度11 mm，直徑8 mm，預(yù)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(jì)了專(zhuān)用彈托以確保破片正常發(fā)射，彈托由尼龍車(chē)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(guò)改變火藥混合比例及藥量來(lái)改變預(yù)制破片的發(fā)射速度，發(fā)射時(shí)火藥裝入藥筒，通過(guò)彈道槍擊針擊發(fā)底火引燃火藥發(fā)射破片。圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖，采用紙靶和六通道測(cè)速儀測(cè)定預(yù)制破片速度，設(shè)置了3個(gè)紙靶，測(cè)試并計(jì)算獲得預(yù)制破片的沖擊速度。

表1　試驗(yàn)方案

圖1　試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Experimental layout diagram

圖2　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.2 Field experimental arrangement

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照表1所示的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)獲得不同速度預(yù)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(yù)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(dǎo)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(kāi)坑并嵌入其中，速度越大嵌入深度越深，當(dāng)破片速度為551 m/s時(shí)，破片已完全嵌入圓管；方案5中，破片速度達(dá)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(yù)制破片直徑，四周有輕微翻邊，破壞模式為沖塞破壞。 因此，認(rèn)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(cè)量獲得不同沖擊速度對(duì)應(yīng)的侵徹深度L，見(jiàn)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(shí)，侵徹深度為9.48 mm，大于圓管壁厚，這是因?yàn)閳A管發(fā)生了塑性變形，當(dāng)沖擊速度達(dá)到611 m/s時(shí)，圓管被完全貫穿，并有充塞片形成，這時(shí)侵徹深度L達(dá)到最大值11.92 mm。

表2　不同沖擊速度作用下侵徹深度

2預(yù)制破片侵徹圓管仿真研究

為了觀察預(yù)制破片沖擊圓管的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，分析圓管的響應(yīng)情況及破片的侵徹特性，進(jìn)一步精確圓管的極限穿透速度，采用與試驗(yàn)研究一致的圓管對(duì)象和研究方案進(jìn)行預(yù)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(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，網(wǎng)格往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，使得計(jì)算難以進(jìn)行，所以在模擬過(guò)程中采用斷裂侵蝕機(jī)制和畸變侵蝕技術(shù)[7]，并將預(yù)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(duì)稱(chēng)性，建立二分之一有限元模型，如圖4所示，在左側(cè)對(duì)稱(chēng)邊界面上施加對(duì)稱(chēng)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(yù)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(lái)描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[8]。

Johnson-Cook本構(gòu)方程式為：

圓管及預(yù)制破片對(duì)應(yīng)材料參數(shù)如表3所示[9]：

GRUNEISEN狀態(tài)方程表達(dá)的壓力表達(dá)式為：

(γ0+αμ)E

有限元模型中對(duì)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(lái)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(lái)判斷材料是否失效，其動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變表達(dá)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(duì)預(yù)制破片高速?zèng)_擊圓管的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。沖擊速度與試驗(yàn)研究中測(cè)得的破片速度一致，獲得圓管在不同速度預(yù)制破片沖擊作用下的響應(yīng)情況，如圖5所示。在預(yù)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(dāng)沖擊速度達(dá)到611 m/s時(shí)，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(shí)獲得圓管在不同速度預(yù)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(xiàn)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，采用此仿真模型及方法模擬預(yù)制破片沖擊圓管的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程是可行的。

圖6　試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.6 Contrast of numerical calculationand experiment onpenetration depth

圖7顯示了預(yù)制破片在侵徹過(guò)程中的速度變化。分析方案5的速度變化規(guī)律，在預(yù)制破片與圓管接觸的初始階段5～15 μs，速度呈線(xiàn)性急劇下降，其加速度在1.89×107m/s2左右，破片動(dòng)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(shí)現(xiàn)開(kāi)坑；隨著侵徹過(guò)程的進(jìn)行，從15 μs開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定侵徹階段，破片速度下降趨勢(shì)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(duì)比其它4種方案發(fā)現(xiàn)，開(kāi)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(shì)越快。

圖7　預(yù)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(duì)極限穿透速度的影響

極限穿透速度是預(yù)制破片穿透圓管所需最小速度，沖擊速度低于則無(wú)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(shí)對(duì)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(xiàn)，如圖8所示。

圖8　極限穿透速度Vu與壁厚δ的關(guān)系曲線(xiàn)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(shí),Vu1=29.18+264.7，對(duì)應(yīng)線(xiàn)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(shí)，Vu2=88δ-144，對(duì)應(yīng)線(xiàn)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(shí)，Vu3=52δ+137.7，相應(yīng)線(xiàn)段斜率為52，壁厚δ對(duì)極限穿透速度Vu的影響作用又有所削弱。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓管較厚時(shí)，壁厚δ對(duì)極限穿透速度Vu的影響較大，在壁厚δ處于7 mm～8 mm時(shí)尤為明顯，對(duì)圓管進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。

2.4破片長(zhǎng)徑比對(duì)圓管極限穿透速度的影響

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

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

擬合圖9曲線(xiàn)可得:

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

3結(jié)論

本文針對(duì)厚壁圓管在高速?zèng)_擊作用下的響應(yīng)，采用彈道槍發(fā)射不同速度的預(yù)制破片，研究了不同沖擊速度對(duì)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?zèng)_擊侵徹過(guò)程及其響應(yīng)特性，并計(jì)算分析了圓管壁厚δ及預(yù)制破片長(zhǎng)徑比l/d對(duì)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(yù)制破片對(duì)厚壁圓管的高速?zèng)_擊過(guò)程可分為開(kāi)坑階段、穩(wěn)定侵徹階段與沖塞階段，其中開(kāi)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(shí)，壁厚δ對(duì)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(dāng)壁厚δ在7 mm～8 mm之間時(shí)其變化幅度可高達(dá)18.6%。

(3) 圓柱形預(yù)制破片長(zhǎng)徑比l/d低于1.5時(shí)，對(duì)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(dāng)l/d達(dá)到3.5左右時(shí)Vu維持在545 m/s左右不再變化。

參 考 文 獻(xiàn)

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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(lèi)號(hào):TA410

文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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