动能弹垂直侵彻混凝土的实验研究及其数值模拟

刘士践,李胜才

(林同棪国际(广州)工程咨询有限公司,广东 广州 510170)

弹体对混凝土的侵彻是包含大变形以及损伤和破坏的动态过程,研究弹体对混凝土的侵彻对防护工程具有十分重要的现实意义。混凝土是由骨料颗粒和水泥浆基体构成的复合材料,其内部具有大量初始微裂纹、间断以及空穴[1],这类介质在冲击载荷作用下的损伤破坏涉及很宽的时空尺度,使理论分析十分困难[2]。目前的研究方法中,现场实验研究必不可少,但现场实验往往耗资巨大,而且一些数据不易获得。本文在侵彻对比试验基础上,应用显示动力有限元程序对混凝土的抗动能弹丸冲击侵彻特性进行了数值模拟分析,对于这类大变形、高压、高应变率的混凝土侵彻问题,合理的材料模型成为数值模拟结果有效性的重要前提。为了描述混凝土材料的非线性变形特性,在计算中引入了Holmquist-Johnson-Cook累计损伤材料模型。

1 试验研究

试验弹采用 BLU-109B钻地模型弹,其缩比尺寸为 1∶12.28,主要参数见表 1。

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靶体采用预先配置好的混凝土材料制作,其抗压强度 σt=85MPa,密度 ρ=2560 kg/m3,泊松比 υ=0.24;靶体直径为 1500mm,厚度为 800mm。试件外箍钢模板。

试验采用 30mm炮平射,并采用高速摄影机摄取弹头着靶姿态,使用网靶和 HG 202G-3型测时仪测量弹体飞行速度,试验装置如图 1所示。

弹丸着靶速度V、侵彻深度 H和弹坑直径是研究侵彻问题的重要参数。混凝土靶试验的实测数据见表 2。

图1 试验装置示意

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从表 2可以看出,在靶体强度相同的情况下,侵彻深度随初速度的增加而增加,这与通常意义上的结论是相符合的。

靶前崩落区的直径和深度与弹丸的侵彻初速度和弹体外径有很大的关系。一般而言,崩落区的直径和深度与弹丸的着靶速度和直径成一定的比例。Forrestal[3]公布的崩落区深度约为侵彻弹径的 2倍左右,直径约为弹径的 4倍左右,而本试验中,成坑深度是弹径的 3-10倍左右,成坑直径是弹径的 10倍以上。造成这样的原因一方面可能是本试验的侵彻速度比较高,弹丸在着靶瞬间,对混凝土靶产生的冲击和冲撞较大,远远超过了混凝土靶的抗压强度,加之混凝土本身为脆性材料,受到巨大的冲击后,迅速断裂,从靶体剥落而飞溅开来;而Forresta侵彻试验的速度较低,属于中低速侵彻范畴,一般在 500m/s之内,由此造成的冲击肯定比 829 m/s高速状态下对混凝土的冲击小的多,试验结果也表明,弹丸着靶速度增加,崩落区的面积也随之加大。另一方面是混凝土靶体的强度过高,混凝土表面过硬,弹体在撞击混凝土靶体的瞬间会产生较大的阻力,从而使弹坑崩落区面积较大。

2 数值模拟

本文采用 LS-DYNA非线性有限元程序对弹丸侵彻混凝土的试验进行模拟。BLU-109/B模拟弹采用 Johnson-Cook模型来描述,其材料参数见表 3,混凝土靶体采用Holmquist-Johnson-Concret(H-J-C)模型来描述,其材料模型参数见表 4。

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数值模拟结果见表5和表6。

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从表5中可以看出数值模拟得到的侵深值和弹坑直径值与试验得到的侵深值和弹坑直径值相差不大,误差均没超过 5%。因此可以得出,选择H-J-C本构模型和Johnson-Cook模型分别作为混凝土和弹丸的本构模型,同时通过 LS-DYNA3D而得到的数值模拟能较好地反映了弹丸速度对侵彻深度的影响规律。

从表6中可以看出数值模拟得到的侵深值要略小于实验值,对于这种计算值与实验值的偏差,我们作了如下的分析,认为造成这种情况可能是由于混凝土的本构参数引起的。由于目前混凝土的本构关系仍然是不成熟的,特别是当应用在高应变率响应条件下时更为明显。要找到一个非常贴切的本构关系来描述混凝土的特性是非常困难的。而且由于当混凝土使用不同的材料,包括水泥的标号、配比,沙石的强度、粒度等因素以及固化时间、混凝土所处的地质条件(如含水量)等,都会影响到混凝土的强度及其他特性,所以实际实验中所使用的混凝土其特性参数都会因各种原因而表现千差万别。我们没有对所做实验中使用的混凝土进行各种材料性能的实验,所以很难保证计算中所采用的混凝土的参数与实验中所用的混凝土参数大致相当。我们在计算中所使用到的混凝土参数除了混凝土强度为实验使用的混凝土强度,其它材料常数取自 1998年 Johnson-Holmquist会议论文并做适当的调整,虽然这些参数对混凝土而言一般具有普遍性,但文献中所给出的混凝土参数与实验中所采用的混凝土的参数是否一致或在多大程度上相符,不得而知。因此我们认为是混凝土的本构参数的选择使数值模拟得到的侵深结果与实验值两者出现偏差的主要原因。

3 结束语

本文通过不同比尺的钻地模型弹侵彻混凝土的现场试验及其数值模拟,分析研究了侵彻模拟弹在不同初速度下对混凝土的侵彻效应,即对混凝土的侵彻深度、成坑半径及靶体的响应。初步得出了 BLU-109B钻地模型弹及原型弹对混凝土的侵彻效应、侵彻能力和靶体的响应规律。

[1]梁仁旺,张明,白晓红.水泥土的力学特性试验研究[J].岩土力学,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