基于物質點法彈丸侵徹靶板的仿真與結構優化

謝桂蘭,左立來,宋慕清,肖芳昱,侯 昆

(湘潭大學 機械工程與力學學院,湖南 湘潭 411105)

如何兼顧裝甲結構的防護能力和機動靈活性,是現代裝甲防護領域重點研究的問題。金屬蜂窩夾芯結構由于其本身具有的潰縮吸能和輕質等特性,在現代裝甲防護領域備受青睞。

王雪等[1]利用試驗和有限元(FEM)數值模擬方法研究了鎢合金球侵徹等厚多層板的彈道極限,分析了分層數對靶板彈道極限的影響。徐小剛等[2]采用光滑流體動力學算法(SPH)對蜂窩夾芯板進行了超高速碰撞模擬仿真,研究蜂窩夾芯板的破口尺寸。張延昌等[3]利用有限元軟件MSC/Dytran分析了蜂窩夾芯板在橫向沖擊載荷下的損傷變形,碰撞力和能量吸收等指標,通過與等效平板進行了比較,討論了結構參數與能量吸收的關系。畢廣劍等[4]利用有限元分析軟件LS-DYNA對彈丸侵徹2種單層蜂窩夾層結構以及由單層結構相互結合的4種混合雙層蜂窩結構進行數值模擬,并對6種結構進行了抗侵徹性能分析,分析了吸能和靶板的結構變形情況。綜上所述,發現針對蜂窩結構參數對靶板抗侵徹能力的影響規律的研究文獻極少。

物質點法(material point method,MPM)是一種無網格法,避免了拉格朗日法計算大變形問題產生的網格畸變和歐拉法因非線性對流項所產生的數值困難問題[5-6]。因此,物質點法適用于大變形計算,如高速撞擊[7-8]、沖擊侵徹[9]、爆炸[10]、裂紋擴展[11]、材料失效[12]等問題。本文基于物質點法,模擬了已有文獻中彈丸侵徹實心靶板的過程,驗證了物質點法在彈丸侵徹靶板問題上的可行性。之后針對彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板的侵徹過程進行了模擬計算。研究了不同胞元壁厚、不同厚度蜂窩板的蜂窩夾芯靶板對彈丸的抗侵徹規律,豐富了彈丸侵徹靶板問題的研究方法。

1 理論基礎

使用物質點法求解彈丸侵徹靶板問題時,采用拉格朗日法描述離散質點,用歐拉法描述背景網格。離散質點攜帶物體所有材料和運動信息,在每個時間步,將信息映射到背景網格進行求解,計算結束后相關信息被重新映射回離散質點進行更新。在下個計算時間步中,更新背景網格用于后續計算,因此避免了使用有網格法模擬大變形問題時產生的網格畸變缺陷。此外,質點和背景網格之間具有無相對運動的優點,有效避免了因非線性對流項造成的求解困難等問題[6]。

1.1 虛功方程

彈丸與靶板接觸并發生穿透時,需要同時遵循質量、動量與能量守恒規律,即必須符合下列控制方程:

初始條件:

vi(X,0)=v0i(X),ui(X,0)=u0i(X)

(1)

本構關系:

(2)

幾何方程:

(3)

質量守恒方程:

(4)

動量守恒方程:

(5)

能量方程:

(6)

邊界條件:

(7)

1.2 顯式物質點法更新

(8)

(9)

式中:NIp為結點I的形函數在質點p處的值,n為迭代步數。

計算得質點密度為

(10)

(11)

(12)

(13)

對動量方程進行積分求解:

(14)

2 物質點法程序驗證

為了驗證物質點法在模擬彈丸侵徹靶板問題上的可行性,根據第1節介紹的物質點法基本理論,使用FORTRAN語言編寫彈丸侵徹靶板過程的物質點法程序,選取文獻[1]中的幾何模型參數和材料模型參數進行數值模擬。

彈丸侵徹靶板的幾何模型如圖1所示,彈丸為實心球形,材料為鎢合金,直徑D為9.45 mm,質量為8.05 g;靶板為7.2 mm(2.4 mm+2.4 mm+2.4 mm)厚Q235鋼板。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

鎢合金彈丸和靶板間距為0時的物質點法離散模型如圖2所示。彈丸的質點間距為0.15 mm,靶板的質點間距為0.2 mm,背景網格為六面體網格,網格間距為1 mm,整個模型共離散為3 377 376個質點。由于鎢合金具有明顯的應變率特征[13],因此彈丸選用PLASTIC材料模型。鎢合金彈丸材料模型參數如表1所示,其中ρ為材料密度,E為楊氏模量,μ為泊松比,σ為屈服應力,Et為切線模量,nY為硬化參數指標,F為失效應變。Johnson-Cook模型經過大量理論和試驗論證,被證明適用于描述爆炸和超高速碰撞等涉及高應變率問題的材料響應情況,靶板在彈丸侵徹作用下屬于大變形問題,因此對靶板采用Johnson-Cook模型。靶板材料模型參數如表2所示,其中G為剪切彈性模量,A、B、c、m、nb均為材料常數,Tm為材料熔點,Tr為室溫,D1～D5為材料損傷模型常數。狀態方程是為了描述材料壓力、體積應變和內能之間的關系。結合統計學和熱力學理論得到材料在沖擊載荷下的Mie-Grüneisen狀態方程,可以很好地描述靶板在彈丸沖擊載荷作用下的熱力學行為。因此,在彈丸侵徹靶板的模擬過程中,采用Mie-Grüneisen狀態方程來進行對靶板進行描述,狀態方程參數如表3所示。表中,s為von Mises等效應力,γ0為Grüneisen常數,c0為聲速,cp為等容比熱容,靶板四周為固定約束,其余面為自由約束,求解格式為USF格式,時間步長因子取0.9。

表1 鎢合金彈丸的材料模型參數Table 1 Material parameters of tungsten alloy projectile

表2 Q235鋼靶板的材料模型參數Table 2 Material parameters of Q235 steel target

表3 Q235鋼靶板Mie-Grüneisen狀態方程參數Table 3 Q235 Steel target state parameters of Mie-Grüneisen equation

圖2 物質點法離散模型Fig.2 Discrete model of the material point method

文獻[1]中使用有限元法模擬彈丸侵徹7.2 mm厚靶板得到的彈道極限速度范圍為526～531 m/s。通過編寫的物質點法程序得到的彈丸侵徹靶板的仿真模型,對彈丸侵徹靶板的過程進行模擬仿真,得出彈丸侵徹靶板的彈道極限速度范圍,結果如圖3所示,圖中v0為彈丸初始速度、v1為剩余速度。由圖可知使用物質點法進行彈丸侵徹7.2 mm厚靶板得到的彈道極限速度范圍在526～537 m/s,其值與有限元結果僅相差1.1%。使用物質點法模擬得到的彈丸侵徹靶板的彈道極限速度范圍從數值和靶板破壞形狀上都與有限元模擬結果極其吻合。

圖3 物質點法的彈道極限速度與文獻[1]對比Fig.3 Comparison of ballistic limit velocity between the material point method and Ref. [1]

再根據文獻[1]中的彈丸初始速度,通過物質點法模擬不同初始速度的彈丸侵徹靶板的過程。得到的彈丸穿透靶板的剩余速度如表4所示。

表4 彈丸侵徹靶板的仿真結果對比Table 4 Comparison of simulation results of projectile penetration target plate

通過表4可知,在不同初始速度下物質點法和有限元法模擬的彈丸剩余速度的變化規律一致,且最大誤差小于8%。說明物質點法能夠較好地模擬彈丸侵徹靶板時的彈丸撞擊靶板和靶板破損變形的過程,使用物質點法在彈丸侵徹靶板問題上是有效可行的。

3 靶板結構設計優化及仿真

3.1 彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板計算模型

在靶板質量恒定的前提下,為了提高靶板的抗侵徹能力,將靶板中間層實心板替換為相同材料的蜂窩板。正六邊形蜂窩胞元結構示意圖如圖4所示,其中hhc為水平胞壁長度,l為胞元斜壁長度,在正六邊形蜂窩結構中hhc=l,Dhc為蜂窩結構胞元孔徑,δhc為蜂窩胞元壁厚,α為胞元內角,正六邊形蜂窩結構的胞元內角為30°。當取蜂窩結構胞元壁厚δhc為0.4 mm,蜂窩結構胞元孔徑Dhc為6 mm,蜂窩板總厚度T為3.5Dhc時,取蜂窩板的質點間距與實心板的質點間距均為0.2 mm,在物質點法離散模型中實心板被離散為1 080 000個質點,蜂窩板被離散為1 072 800個質點,相差為0.67%,由于物質點法是將物體離散為一系列離散質點,質點攜帶物體的質量信息,所以蜂窩板的質量與實心板的質量近似相同。

圖4 蜂窩胞元示意圖Fig.4 Schematic diagram of cellular cells

彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板的幾何模型如圖5所示,彈丸為實心球形,材料為鎢合金,直徑為9.45 mm,質量為8.05 g;蜂窩夾芯靶板材料為Q235鋼,上板和下板厚度均為2.4 mm。使用物質點法建立的彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板的離散模型如圖6所示,彈丸的質點間距為0.15 mm,靶板的質點間距為0.2 mm,背景網格采用六面體網格,網格間距為1 mm,整個仿真模型被離散為3 370 176個質點。鎢合金彈丸和蜂窩夾芯靶板的材料參數見表1～表3。

圖5 幾何模型Fig.5 Geometric modeling

圖6 物質點法離散模型Fig.6 Discrete model of the material point method

由圖7可知,彈丸在初始速度606 m/s時未能穿透蜂窩夾芯靶板,而在初始速度610 m/s時穿透了蜂窩夾芯靶板,即使用物質點法模擬得到的彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板的彈道極限速度范圍在606～610 m/s。相比文獻[1]中彈丸侵徹實心靶板的彈道極限速度范圍(526～537 m/s),其值明顯提高,說明蜂窩夾芯靶板的抗侵徹能力相比實心靶板顯著提高。

圖7 彈丸侵徹蜂窩夾芯板的彈道極限速度Fig.7 Ballistic limit speed of projectile penetration into honeycomb sandwich panel

再根據彈丸侵徹圖1所示實心靶板的一系列初始速度,選取相同的初始速度,來進行彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板的仿真,對比物質點法和有限元法得到的彈丸剩余速度,結果如表5所示。可知,彈丸侵徹蜂窩夾芯靶板后的剩余速度相比侵徹實心靶板有較大幅度的下降,降低比例在20.09%～37.10%之間,且在速度較低時(550 m/s和600 m/s),彈丸并未穿透蜂窩夾芯靶板。這說明蜂窩結構夾芯板對彈丸的速度降低效果更顯著,能較大程度地提高靶板的抗侵徹性能。

表5 彈丸侵徹蜂窩夾芯板的仿真結果Table 5 Simulation results of projectile penetration into honeycomb sandwich panels

利用物質點法模擬得到的彈丸侵徹實心靶板和蜂窩夾芯靶板的彈道極限速度,結合彈丸速度時程曲線,可得到靶板各層的吸能情況及占整個靶板吸收能量的比例。靶板吸收能量的能力經常用能量吸收率來表示,實心靶板和蜂窩夾芯靶板各層的能量吸收率情況見表6。

表6 靶板各層的能量吸收率情況Table 6 Energy absorption rate of each layer of the target plate

由表6可知,蜂窩夾芯靶板中蜂窩板的能量吸收率相比于中間層實心板的吸收能量明顯提高,中間層的吸能率從28.01%～32.89%提升到40.86%～43.92%,說明蜂窩結構潰縮吸能性能較好,起到了更好的緩沖吸能效果,能提高靶板的抗侵徹能力。

3.2 蜂窩夾芯靶板結構參數對靶板抗侵徹能力的影響分析

3.2.1 蜂窩板厚度的影響

為了探究蜂窩板厚度對蜂窩夾芯靶板抗侵徹能力的影響,通過編寫的物質點法程序,分別對彈丸侵徹不同厚度蜂窩板的蜂窩夾芯靶板進行數值模擬。以相同的彈丸初始速度(680 m/s)侵徹靶板,獲得彈丸侵徹不同厚度蜂窩板的蜂窩夾芯靶板的剩余速度,彈丸的剩余速度時程曲線如圖8所示,剩余速度與蜂窩板厚度之間的關系如圖9所示。

圖8 彈丸侵徹不同厚度蜂窩夾芯板速度時程曲線Fig.8 Projectiles penetrate honeycombs of different thicknesses Sandwich panel speed time history curve

圖9 彈丸剩余速度與蜂窩板厚度的關系曲線Fig.9 Curve of the residual velocity of the projectile and the thickness of the honeycomb plate

可知,隨著蜂窩板厚度的增加,彈丸剩余速度不斷下降。在蜂窩板厚度較小時,隨著厚度的增加,彈丸剩余速度雖有所下降,但下降幅度較為平緩。之后再隨著蜂窩結構芯層厚度的增加,彈丸剩余速度下降程度先急劇增大后趨于平緩。這說明蜂窩夾芯靶板的抗侵徹能力先急劇上升,后隨著蜂窩板厚度的增加而趨于平緩,此時蜂窩板厚度的增加對降低彈丸速度的作用開始降低,再繼續增加蜂窩板的厚度不能再有效降低彈丸速度。

將彈丸剩余速度與蜂窩板厚度的關系曲線進行微分處理,獲得剩余速度曲線斜率k1,其與蜂窩板厚度的曲線如圖10所示。

圖10 彈丸剩余速度曲線斜率與蜂窩板厚度的關系曲線Fig.10 Curve of the slope of the projectile remaining velocity curve and the thickness of the honeycomb plate

可知,斜率的大小表示彈丸剩余速度曲線的衰減速度。在斜率極值處之前,斜率的絕對值持續增大,說明這期間隨著蜂窩板厚度的增加,蜂窩夾芯靶板對彈丸速度的降低效果急劇上升;在斜率極值處之后,斜率的絕對值在減小,此時再隨著蜂窩板厚度的增加,蜂窩夾芯靶板對彈丸速度的降低作用已經慢慢趨于平緩。蜂窩夾芯靶板在斜率曲線的極值(T=3.5Dhc附近)處具有抗侵徹和輕質的最優解。

3.2.2 蜂窩胞元壁厚的影響

為了探究蜂窩胞元壁厚對蜂窩夾芯靶板抗侵徹能力的影響作用,通過編寫的物質點法程序,對彈丸侵徹不同壁厚蜂窩夾芯板進行數值模擬。以相同彈丸初始速度(680 m/s)侵徹靶板,獲得彈丸侵徹不同蜂窩胞元壁厚的蜂窩夾芯靶板的剩余速度。得到彈丸剩余速度的時程曲線如圖11所示。

圖11 彈丸侵徹不同壁厚蜂窩夾芯板速度時程曲線Fig.11 Velocity and time history curve of projectile penetration through honeycomb sandwich panels with different wall thicknesses

圖12所示為彈丸侵徹不同胞元壁厚的蜂窩夾芯靶板的剩余速度與蜂窩胞元壁厚之間關系圖。可知,隨著蜂窩胞元壁厚的增加,彈丸剩余速度不斷下降。在胞元壁厚較小時,隨著壁厚的增大,彈丸剩余速度下降幅度較為平緩。之后再隨著蜂窩胞元壁厚的增大,彈丸剩余速度下降程度先急劇增大后趨于平緩,說明蜂窩夾芯靶板的抗侵徹能力先急劇上升,后隨著蜂窩胞元壁厚的增加而趨于平緩,說明此時蜂窩胞元壁厚的增加對降低彈丸速度的作用開始降低,此時再繼續增加蜂窩胞元壁厚對彈丸速度的影響減小。

圖12 剩余速度與蜂窩胞元壁厚的關系Fig.12 Relationship between residual velocity and cell wall thickness

將彈丸剩余速度與蜂窩胞元壁厚的關系曲線進行微分處理,獲得彈丸剩余速度曲線斜率k2與蜂窩胞元壁厚的曲線關系如圖13所示。可知,隨著蜂窩胞元壁厚的增加,蜂窩夾芯靶板對彈丸速度的降低效果先急劇上升,在斜率極值處之后,斜率的絕對值在減小,此時再隨著蜂窩胞元壁厚的增加,蜂窩夾芯靶板對彈丸速度的降低作用已經慢慢趨于平緩。因此蜂窩夾芯靶板在斜率曲線的極值處(δhc=0.4 mm)具有抗侵徹和輕質的最優解。

圖13 剩余速度曲線斜率與蜂窩胞元壁厚關系Fig.13 Relationship between the slope of the remaining velocity curve and the wall thickness of the cellular cell

4 結束語

本文通過物質點法對彈丸侵徹靶板的過程進行了模擬與驗證,設計了三層蜂窩夾芯靶板,分析了蜂窩芯厚度及胞元壁厚對蜂窩夾芯板抗侵徹能力的影響規律,得出以下結論:

①鎢合金彈丸侵徹三層靶板的彈道極限速度約為526～537 m/s,在靶板總質量不變的情況下,蜂窩夾芯靶板的彈道極限速度提高到606～610 m/s,說明優化后的蜂窩夾芯靶板的抗侵徹能力優于等質量的實心靶板。

②通過對蜂窩板厚度和蜂窩胞元壁厚兩個試驗參數進行仿真分析,在相同初始速度下,得到不同試驗參數下的彈丸穿出速度,結合剩余速度與試驗參數曲線和剩余速度斜率微分曲線,得到靶板在斜率微分曲線極值處的防護和輕質的最優解。

③證明物質點法在解決彈丸侵徹靶板問題上是有效可行的,可為相關研究提供數值模擬,也可為裝甲防護設計提供參考。