鎢鋯合金破片侵徹鋼筋混凝土的數(shù)值模擬研究

王卓碩，趙太勇，楊寶良，景 彤，蔣顯松，陳智剛，周 滔，王維占

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；3 重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401120)

0 引言

近年來(lái),隨著科技的發(fā)展,新式武器層出不窮,各類戰(zhàn)斗部的毀傷威力越來(lái)越強(qiáng)。其中,殺傷爆破戰(zhàn)斗部是一種常見戰(zhàn)斗部,戰(zhàn)斗部爆炸之后,產(chǎn)生的破片可對(duì)車輛、人員、建筑等目標(biāo)造成破壞[1-7],極大地提高了武器的毀傷能力。在戰(zhàn)場(chǎng)上,鋼筋混凝土等建筑物和防御工事是重要打擊目標(biāo),因此開展破片對(duì)鋼筋混凝土的破壞威力和毀傷情況的研究,可為戰(zhàn)斗部毀傷元設(shè)計(jì)提供參考。

馬天寶等[4]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法得到彈體侵徹深度和侵徹機(jī)理隨速度的變化關(guān)系。武海軍等[7]系統(tǒng)綜述了鋼筋混凝土靶的侵徹與貫穿的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。王茂英等[8]建立了混凝土靶與鋼筋混凝土靶抗侵徹能力的等效關(guān)系。張見升等[9]使用不同質(zhì)量、不同速度的破片侵徹鋼筋混凝土靶,得出低質(zhì)量的破片對(duì)靶板形成破碎效應(yīng),而中、高質(zhì)量的破片為崩落破壞,破片質(zhì)量越大,崩落破壞和無(wú)崩落破壞的比例越大。余慶波等[10]研究獲得了破片侵徹速度、侵徹姿態(tài)、形狀、材料等因素對(duì)混凝土毀傷效應(yīng)影響特性,得出當(dāng)破片速度、形狀相同時(shí),金屬鎢綜合毀傷效果優(yōu)于4340鋼、45鋼。王振寧等[11]通過(guò)分析混凝土破壞模式、質(zhì)量損失和破片剩余速度,研究其對(duì)破片侵徹性能的影響,得到破片對(duì)侵徹混凝土的損傷規(guī)律。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多是對(duì)破片侵徹各類金屬靶,以及彈丸侵徹鋼筋混凝土靶的毀傷效應(yīng)研究,而破片侵徹鋼筋混凝土靶是當(dāng)下殺爆戰(zhàn)斗部毀傷威力研究的熱點(diǎn),但破片對(duì)鋼筋混凝土靶的毀傷效能分析相對(duì)較少,尤其鎢鋯合金破片對(duì)鋼筋混凝土靶的毀傷效能分析更為少見,因此開展此類研究十分必要。

文中采用彈道槍沖擊試驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法,開展了球形鎢鋯合金破片對(duì)鋼筋混凝土靶的侵徹效能分析,重點(diǎn)分析了破片速度、質(zhì)量及著靶角度對(duì)鋼筋混凝土靶的毀傷規(guī)律及鎢鋯合金破片在高速?zèng)_擊作用下的響應(yīng)狀態(tài)。研究結(jié)果對(duì)以鋼筋混凝土為目標(biāo)的殺爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)威力設(shè)計(jì)及毀傷效能評(píng)估具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用破片為球形破片,由鎢、鋯兩種金屬燒結(jié)而成,燒結(jié)后破片密度約為12.41 g/cm3,質(zhì)量約為5.57 g,直徑為9.5 mm。鋼筋混凝土靶尺寸為300 mm×300 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×厚,鋼筋直徑10 mm)。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及其場(chǎng)地布置如圖1～圖2所示,主要由口徑12.7 mm滑膛彈道槍、通-斷靶、測(cè)時(shí)儀、靶板等組成。破片通過(guò)12.7 mm滑膛彈道槍發(fā)射,采用尼龍彈托加載速度,獲得一定速度后垂直命中100 mm厚的鋼筋混凝土靶板。通過(guò)調(diào)節(jié)裝藥量控制破片的速度,通-斷靶、測(cè)時(shí)儀置于彈道槍口一定距離處,用于測(cè)量破片初速。

圖2 試驗(yàn)靶板布置圖Fig.2 Experimental layout

圖3 破片及靶板有限元模型Fig.3 Fragment and target plate finite element model

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

研究共進(jìn)行了8發(fā)有效彈道槍沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)對(duì)鋼筋混凝土靶板侵徹開孔面積、侵徹深度及靶板損傷區(qū)域等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data

2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

2.1 有限元模型

文中利用ANSYS/LS-DYNA有限元?jiǎng)恿W(xué)軟件對(duì)鎢鋯合金侵徹鋼筋混凝土靶進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)破片垂直侵徹環(huán)境,通過(guò)TrueGrid建模軟件進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建和網(wǎng)格的劃分,為了節(jié)約時(shí)間,破片和鋼筋混凝土靶只建立二分之一模型,在二分之一模型的對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱約束條件,計(jì)算網(wǎng)格是Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元,破片、混凝土、鋼筋的網(wǎng)格尺寸分別為0.5 mm,1 mm,2.5 mm。

2.2 材料參數(shù)及算法

破片和鋼筋混凝土靶均采用Lagrange算法,兩者之間采用侵蝕接觸。文中數(shù)值模擬中,破片材料為鎢鋯合金,破片與鋼筋均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,混凝土采用RHT材料模型[12]。考慮避免初始滲透,破片距離鋼筋混凝土靶板3 mm。表2～表4為材料參數(shù)。

表2 破片與鋼筋材料主要參數(shù)Table 2 Main parameters of fragment material

表3 靶板材料主要參數(shù)Table 3 Main parameters of target material

表4 狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 Parameters of equation of state

2.3 驗(yàn)證分析

對(duì)試驗(yàn)工況展開數(shù)值模擬驗(yàn)證計(jì)算,圖4、圖5為數(shù)值模擬結(jié)果中鋼筋混凝土破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 不同速度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of test results and simulation results

圖5 不同速度靶板背面試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of test results and simulation results on the back of the target plate

鋼筋混凝土相比于素混凝土而言,具有更高的整體強(qiáng)度和完整度,鋼筋對(duì)混凝土具有約束作用,可防止混凝土在受到破片高速?zèng)_擊時(shí)的進(jìn)一步破壞,降低其對(duì)混凝土的毀傷效果。如圖4中最后一組照片,破片侵徹位置與鋼筋較為靠近時(shí),對(duì)鋼筋混凝土的開坑效果有所減弱,侵徹深度降低,崩落的漏斗坑形狀并不明顯,但大體規(guī)律與前幾發(fā)一致。

由圖4、圖5可知,隨著破片著靶速度的增加,對(duì)鋼筋混凝土靶板的破壞程度增強(qiáng),侵徹深度和開孔面積增加,靶板開孔周圍的裂紋延伸至邊界,背面裂紋數(shù)量增加造成崩落,破壞了靶板的結(jié)構(gòu),對(duì)靶板造成有效毀傷。速度達(dá)到760～910 m/s時(shí),破片在100 mm厚鋼筋混凝土靶正面僅造成較小深度的開坑,靶板正面與靶板背面未出現(xiàn)裂紋破壞。這是由于在低速情況下,破片動(dòng)能相對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)較小,因此只造成開坑效果;速度達(dá)到910～1 112 m/s時(shí),破片對(duì)混凝土的毀傷效果逐漸增強(qiáng),靶板外表面開孔面積增加,混凝土成坑效果更加明顯,靶板正面開孔周圍延伸出許多裂紋的同時(shí),靶板背面出現(xiàn)裂紋破壞;速度達(dá)到1 112～1 311 m/s時(shí),侵徹深度和開孔面積增大,毀傷區(qū)域增大,裂紋數(shù)量和密度增加,靶板背面產(chǎn)生崩落現(xiàn)象,靶板開裂。這是由于隨著速度增加,破片動(dòng)能越來(lái)越大,超過(guò)鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,造成壓縮剪切耦合破壞,對(duì)靶板形成嚴(yán)重毀傷。

隨著破片速度的增加,破片自身承受的沖擊應(yīng)力增大,破片從剛性體侵徹階段到準(zhǔn)剛性體侵徹階段再到侵蝕體侵徹階段,主要表現(xiàn)為破片墩粗(質(zhì)量損失較小)向磨蝕斷裂(破片大變形,質(zhì)量損失較大)趨勢(shì)變化,由圖6可知,速度為760 m/s時(shí),破片處于準(zhǔn)剛性體侵徹階段,此時(shí)破片出現(xiàn)墩粗現(xiàn)象,質(zhì)量損失較小;速度為910～1 311 m/s時(shí),破片處于侵蝕體侵徹階段,此時(shí)破片出現(xiàn)形變,質(zhì)量損失由于速度增加越來(lái)越嚴(yán)重。

圖6 破片試驗(yàn)與仿真結(jié)果破壞形態(tài)對(duì)比Fig.6 Comparison of damage patterns between fragment test and simulation results

圖7為在不同速度下,試驗(yàn)結(jié)果與仿真侵徹深度對(duì)比曲線,由曲線可知,在760～1 311 m/s的速度區(qū)間內(nèi),仿真數(shù)據(jù)結(jié)果大于試驗(yàn)數(shù)據(jù),但相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。圖8為在不同速度下,試驗(yàn)結(jié)果與仿真開孔面積對(duì)比曲線,由曲線可知,在760～1 311 m/s的速度區(qū)間內(nèi),仿真數(shù)據(jù)結(jié)果略大于試驗(yàn)數(shù)據(jù),760～1 100 m/s區(qū)間內(nèi),相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果與仿真侵徹深度對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve between test results and simulated penetration depth

圖8 試驗(yàn)結(jié)果與仿真開孔面積對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve between test results and simulated opening area

表5為不同速度下破片試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù),由表可知,在760～1 311 m/s的速度區(qū)間內(nèi),破片剩余質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差在5%以內(nèi);剩余破片直徑試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差在9%以內(nèi)。

表5 不同速度下破片試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Table 5 Fragment test and simulation results data at different speeds

試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)存在一定的誤差,造成該情況的原因有3點(diǎn):1)Lagrange算法的局限性,計(jì)算過(guò)程中由于網(wǎng)格失效刪除網(wǎng)格,造成質(zhì)量不守恒,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差;2)材料參數(shù)的準(zhǔn)確性,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定材料參數(shù)存在一定的誤差,導(dǎo)致數(shù)值拓展模擬過(guò)程中出現(xiàn)誤差;3)試驗(yàn)結(jié)果具有隨機(jī)性,樣本量較小,也會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

綜合以上分析可知,試驗(yàn)和仿真結(jié)果具有較好的一致性,可以滿足工程計(jì)算要求。基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的較好一致性,進(jìn)一步對(duì)鎢鋯合金破片侵徹鋼筋混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬拓展研究

3.1 侵徹速度影響分析

破片速度是影響其侵徹深度和毀傷區(qū)域的重要因素,破片的速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致侵徹效果變差,速度過(guò)高則會(huì)對(duì)戰(zhàn)斗部的裝藥量,直徑等提出更高的要求,故設(shè)計(jì)合理的侵徹速度是保證毀傷威力的重要前提。為了分析破片速度對(duì)其毀傷能力的影響規(guī)律,文中對(duì)破片速度為800～2 000 m/s侵徹鋼筋混凝土靶過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同速度下破片侵徹靶板仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of fragments penetrating target plate at different speeds

圖10 不同速度下破片侵徹靶板侵徹深度曲線Fig.10 Penetration depth curve of fragments penetrating target plate at different speeds

從仿真結(jié)果來(lái)看,破片剛接觸到混凝土?xí)r,混凝土表面發(fā)生壓縮和剪切斷裂,繼而在表面形成裂紋并產(chǎn)生崩落,形成漏斗坑狀入口。隨著破片速度的增加,其侵徹深度增加,毀傷區(qū)域逐漸增大,破片對(duì)鋼筋混凝土靶的侵徹能力逐漸增強(qiáng)。破片速度增加過(guò)程中,破片剩余質(zhì)量減小,損失質(zhì)量逐漸增加。鋼筋混凝土靶總體上隨著破片速度的增加,抗毀傷能力在增強(qiáng),破片損失動(dòng)能也在增加。當(dāng)破片速度為1 100 m/s時(shí),在混凝土靶背面產(chǎn)生崩落碎片,此時(shí)靶板雖未穿透,但存在貫穿裂紋。

由于試驗(yàn)條件有限,試驗(yàn)時(shí)破片速度未能提升至1 500 m/s以上,為了得到1 500 m/s速度以上的毀傷情況,由數(shù)值仿真模擬了1 500 m/s,1 750 m/s,2 000 m/s 3種速度下的毀傷情況,發(fā)現(xiàn)隨著沖擊速度的增加,破片自身承受的沖擊應(yīng)力增大,由剛性體侵徹變?yōu)槠扑轶w侵蝕,主要表現(xiàn)為破片墩粗向磨蝕斷裂趨勢(shì)變化,侵徹深度逐漸減小,整體侵徹威力降低,導(dǎo)致對(duì)鋼筋混凝土靶的穿透能力越來(lái)越弱(破片所用材料的屈服強(qiáng)度對(duì)其侵徹威力有重要影響,強(qiáng)度越大,破片處于剛性體侵徹階段的速度區(qū)間越大,侵徹威力越大,對(duì)靶板的毀傷效果越明顯)。破片臨界侵徹深度轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的速度閾值為1 300 m/s,該速度下侵徹深度最大。

3.2 破片質(zhì)量影響分析

在破片侵徹鋼筋混凝土靶的研究中,破片質(zhì)量對(duì)其毀傷能力同樣具有重要的影響。破片質(zhì)量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致侵徹效果變差,質(zhì)量過(guò)高則會(huì)對(duì)戰(zhàn)斗部的裝藥提出更高的要求。而破片質(zhì)量是由破片直徑?jīng)Q定的,因此,選取合適的破片直徑也是保證毀傷威力的重要前提。為了分析破片質(zhì)量對(duì)其毀傷能力的影響規(guī)律,文中開展了破片速度為800～1 300 m/s,質(zhì)量為3.3～14.3 g,直徑為8～13 mm垂直侵徹鋼筋混凝土靶的研究,數(shù)值模擬結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖13 不同直徑破片侵徹靶板侵徹深度曲線Fig.13 Penetration depth curve of fragments with different diameters penetrating target plate圖14 不同直徑破片侵徹靶板開孔面積曲線Fig.14 Curve of the hole area of fragments with different diameters penetrating the target plate

由圖13、圖14可知,隨著破片直徑的增大,破片對(duì)鋼筋混凝土的侵徹深度和開孔面積均逐漸增大。這是因?yàn)樵谙嗤俣认?隨著破片直徑的增加,破片質(zhì)量提高,與靶板的接觸區(qū)域增加,沖擊應(yīng)力增加,破片的磨蝕時(shí)間增加,動(dòng)能衰減時(shí)間增加;隨著沖擊速度的增加,破片質(zhì)量越大,破片對(duì)鋼筋混凝土的侵徹深度和開孔面積增加速率越大。相對(duì)靶板而言,侵徹區(qū)域及侵徹比動(dòng)能逐漸增大,對(duì)靶板的毀傷效果更明顯。在破片速度為1 100 m/s的情況下,直徑≥9.5 mm(質(zhì)量≥5.57 g)的破片均能在混凝土靶上造成裂紋破壞且靶板背面出現(xiàn)崩落現(xiàn)象。直徑為13 mm(質(zhì)量為14.276 g)的破片在1 300 m/s的情況下可直接穿透100 mm厚鋼筋混凝土靶板。

3.3 破片著角影響分析

在破片侵徹鋼筋混凝土靶的研究中,破片著靶角度是影響其侵徹深度和毀傷區(qū)域的重要因素,對(duì)其毀傷能力同樣具有重要的影響。破片著靶角度越大,破片侵徹靶板的等效厚度也越大,導(dǎo)致破片對(duì)靶板的侵徹深度減小,毀傷能力減弱。為了分析破片著靶角度對(duì)其毀傷能力的具體影響,文中設(shè)置了不同的仿真方案,利用建立的有限元仿真模型,將破片和鋼筋混凝土靶的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置不變,初始速度為800 m/s,900 m/s, 1 000 m/s,1 100 m/s,1 300 m/s,破片直徑為9.5 mm,改變破片著靶角度,分別取0°,15°,30°,45°,60°,75°,共30組工況進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖15所示。

圖16 不同入射角度下破片侵徹靶板侵徹深度曲線Fig.16 Penetration depth curve of fragments penetrating target plate at different incidence angles

圖17 不同入射角度下破片侵徹靶板開孔面積曲線Fig.17 Curve of the hole area of fragments penetrating target plate at different incidence angles

從仿真結(jié)果看,首先,同一速度下,隨著著靶角度的不斷增加,破片對(duì)鋼筋混凝土靶的毀傷威力減弱,主要體現(xiàn)在侵徹深度和開孔面積兩方面,這是因?yàn)槠破谝欢ń嵌认虑謴匕邪鍟r(shí),破片的速度分解為平行于靶板的切向速度和垂直于靶板的法向速度,而只有垂直于靶板的法向速度用于侵徹靶板,對(duì)靶板造成開坑或穿透靶板,且破片在傾斜入射靶板時(shí),靶板等效厚度增加,故靶板的抵抗能力增加,因此,隨著著靶角度的增加,破片法向速度分量減小,用于垂直侵徹靶板的動(dòng)能減少,導(dǎo)致侵徹深度減小,毀傷威力降低;在同一著靶角度下,隨著速度的不斷增加,破片對(duì)鋼筋混凝土靶的毀傷威力增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著破片速度增加,破片法向速度增大,用于侵徹靶板的動(dòng)能增加,導(dǎo)致侵徹深度增加,毀傷威力增強(qiáng)。其次,破片的剩余質(zhì)量隨著入射角度增加先減小后增大,損失質(zhì)量先增大后減小,這是由于破片以45°著角侵徹靶板時(shí),侵徹彈道相對(duì)增加,破片磨蝕時(shí)間增加,導(dǎo)致破片質(zhì)量損失增加。破片以45°～75°著角侵徹靶板時(shí),由于靶板自由表面的崩落效應(yīng),破片的侵徹阻力較小,未能有效侵徹靶板,導(dǎo)致破片剩余質(zhì)量增加。而隨著著靶角度的增加,平行于靶板的切向速度大于垂直于靶板的法向速度,偏轉(zhuǎn)力矩增加,球形破片發(fā)生滾動(dòng),無(wú)法有效侵徹靶板,破片發(fā)生跳飛的趨勢(shì)逐漸增加。

4 結(jié)論

文中對(duì)球形破片侵徹鋼筋混凝土靶的過(guò)程進(jìn)行分析,建立了破片侵徹鋼筋混凝土的等效仿真模型。運(yùn)用有限元軟件TrueGrid和ANSYS/LS-DYNA對(duì)破片侵徹鋼筋混凝土靶板的毀傷效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合試驗(yàn)和仿真分析了鎢鋯合金球形破片對(duì)靶板的侵徹特性與毀傷威力,獲得如下結(jié)論:

1)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定了LS-DYNA軟件中的材料模型參數(shù),利用該參數(shù)得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,誤差在10%以內(nèi),滿足工程需求。

2)破片的侵徹性能與破片材料的力學(xué)性能、著靶速度、著靶角度、破片質(zhì)量等因素密切相關(guān)。在同一彈靶系統(tǒng)下,破片速度小于1 300 m/s(準(zhǔn)剛性侵徹階段),破片著靶速度與侵徹深度具有明顯的線性關(guān)系;破片速度大于1 300 m/s時(shí),(磨蝕破碎侵徹階段),破片著靶速度與侵徹深度成反比,侵深逐漸降低,破片磨蝕嚴(yán)重,剩余質(zhì)量減小。

3)破片在相同速度下,隨著直徑增加與靶板接觸面積增大,沖擊應(yīng)力增大,對(duì)靶板毀傷能力增強(qiáng),侵徹深度和開孔直徑均增大;破片著靶角度增大,其法向速度分量減小,用于垂直侵徹靶板的動(dòng)能減少,對(duì)靶板毀傷能力減弱,侵徹深度和開孔直徑均減小;著角大于60°時(shí),破片無(wú)法有效侵徹靶板,發(fā)生跳飛。