基于LS-DYNA的土壤侵彻过程研究

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基于LS-DYNA的掘进武器前级聚能侵彻分析

１２１０２
作者简介：袁志华（９３）男，授，１６一，教主要从事武器弹药的新原理、新概念研究。
２
四川兵工学报
ｈｔ：／ｃｇｊｕｓｒ．ｏ／ｔ／ｓｂ．ｒｅｖｃｒｐｏｎ
１ｍ，药直径为１．ｍ，凝土靶板长４ｍ，度４ｃ装１４ｃ混０ｃ高
Ｐ＝∑Ｐ（）６
射流对靶板的总侵彻深度为
ＪＣ在反混凝土、Ｐ钢筋混凝土弹药中有很好的应用前景。理想的ＪＣ在充分拉伸后头尾速度差很小，Ｐ甚至为零。聚能产生的金属射流如图２所示。
３前级聚能射流侵彻模型的建立
射流侵彻混凝土模型可分为流体模型阶段和流体一弹塑性模型阶段，者是指混凝土介质的强度不起作用，流前射与靶板均类似于流体，者是指靶板介质的强度不能忽略，后需要考虑强度对侵彻的影响，板介质不能看作流体。这２靶个阶段以流体模型判别准则来区分。掘进武器系统前级聚能射流侵彻装置接触地面后，置装前端的壳体分开，在有一定炸高的情况下，彻装置开始工侵作。在这样的条件下建立掘进武器系统前级聚能射流
射流侵彻混凝土掩体进行数值模拟，并结合理论计算，不在
同设计方案中选择了最佳方案，为掘进武器系统的进一步优化提供参考依据。
条件，少引起Ｈｕｇｓ很ｏｒａｓ效应，声小，ｌ噪已发展为一种常用的接触界面算法。分布参数法是Ｂｒｎ等在１８ｕｔｏ９２年首先应用于ＴＮＯＥＳＲ分析程序中的，与节点约束法相比，这种算法具有较好的网格稳定性，因此被ＤＮＹＡ采用。这种算法主要

基于ANSYS／LS—DYNA的破片侵彻靶板有限元建模

ｐｏｏａｓｏｈｏｔｏｆｈｏｒｌｓｎｒｙａｄｍｅｈｎ．ｈｒｃｄｒｏｓｓｓｏｅｔｎｐｅｅｎｔｉｕｅｅｅｔｇｒｐｓｌｎｔｅｃｎｒｌｏｕｇａｓｅｅｇｎｓｉｇＴｅｐｏｅｕｅｃｎｉｔｆｓｔｉｇｕｌｍｅｔａｔｂｔ，ｓｌｃｉｒｎｍａｅｉｌｔｒａｄ１ｄｆｎｎｈｏｔｏｆｈｕｇａｓｅｅｇｎｓｉｇｅｃｍｏｅ．ｅｉｉｇｔｅｃｎｒｌｏｏｒｌｓｎｒｙａｄｍｅｈｎｔ．Ｋｅｗｏｄ：ｎｔａｉｎＦａｍｅｔＭｏｅｉｇＦｎｔｌｍｅｔｎｌｓｓＡＮＳｙｒｓＰｅｅｒｔｏ；ｒｇｎ；ｄｌｎ；ｉｉｅｅｅｎａｙｉ：ａＹＳＬＳＤＹＮＡ／．
ＢａｅｎＡＮＳＳＬＳ— ＹＮＡｓｄｏＹ／ — Ｄ
ＺＨＡＮＧｉｏ．Ｘａｐｏ．ＷＡＮＧｕａＧｎｇ— ｎ．ＧＵ０ｙａＺｈｉｙｉｇ — ｎ
（ｐ．ｆｑｉｍｅｔｏＤｅｔｏｕｐｎｍｍａｄ＆ＭａａｅｎｎｉｅｒｇＯｄａｃｎｉｅｒｇＣｏｌｇ，ｈｉｚｕｎ，５０３ＣｉａＥＣｎｎｇｍｅｔｇｎｅｉｒｎｎｅＥｇｎｅｉｌｅＳｉａｈａｇ０００，ｈｎ）Ｅｎｎｅｊ
元分析，从建模过程中的设置单元属性、材料模型选取、沙漏能控制和网格划分分析，为Ｌ — ＳＤＹＮＡ求解破片侵彻靶板问题建立有限元模型。

对LS-DYNA中混凝土HJC模型的探讨

第３Ｏ卷第２期２０１３年４月
吉
林
建
筑
工

程
学
院
学
报
Ｖｏｌ＿３０Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１３
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ
２：ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆＡｏｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｅｅｎｉｒｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ１３０１１８；
用；但对其在爆炸荷载作用下结构动力分析的能力却研究不足．本文介绍了ＨＪｃ混凝土材料模型的基本原理及建立模型模拟真实实验，并将软件计算结果与实验数据进行了对比．结果表明，｝ＩＪＣ混凝土模型能很好地模拟钢筋混
凝土构件在爆炸荷载作用下的动力响应．关键词：混凝土ＨＪＣ模型；数值模拟；有限元
ｂａｓｉｃｐｉｒｎｃｉｐｌｅｓｏｆｔｈｅＨＪＣｃｏｎｃｒｅｔｅｍａｔｅｉａｒｌｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｎｃｒｅａｔｅａｍｏｄｅｌｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｈｅｔｒｅａｌｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔ，ａｎｄ

用LS-DYNA模拟柱状弹丸侵彻薄钢板过程

文章编号：０３—１５（０９）５— ０１４１０２Ｉ２０Ｏ０９ —０
用Ｌ．ＹＡ模拟柱状弹丸侵彻薄钢板过程ＳＤＮ
郑鑫，焦志刚
（阳理工大学装备工程学院，宁沈阳１０５）沈辽１１９
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要：根据破片模拟弹侵彻钢板的理论研究，用ＡＳＳＬ — ＹＡ对破片模拟弹侵采ＮＹＳＤＮ
ｍｏｄｅ：ｔｅｒｏｓｅｌａｍｒ
穿甲动能弹以直接命中目标并以其自身的碰由于弹丸侵彻靶板的过程比较复杂，大量其击动能毁伤装甲目标，坦克、如舰艇、机和其它的中间过程如弹、的相对速度，飞靶弹靶接触面运动有坚固装甲的防御工事等… ．目前，对这种高速弹规律，力分布与传播，应能量和动量的转化等难以
ＬＳ．ＤＹＮＡ．ｓｄＰｒｃｓｉＢａｅｏｅｓＳｍｕｌｔｏｆｒａｉｎ０
ＣｌｄｉａＰｏｅｔｅＰｎｔａｉｇＴｉｔｅＰａｅｙｉｒｌｒｊｃｌｅｅｒｔｈｎＳｅｌｌｔｎｃｉｎ
ＺＮＧＸｉＪＡＯＺｉａｇＨＥｎ，Ｉｈ — ｎｇ
２００９年１０月
沈阳理工大学学报
ＴＲＡＮＳＡＣＴＯＮＳＯＦＳＩＨＥＮＹＡＮＧＬＧＯＮＧＵＮＩＩＶＥＲＳｎ
Ｖｏ１．２８Ｎ．５ｏ
第２８卷第５期
Ｏｃ．２Ｏ０９ｔ

基于LS—DYNA的玻璃钢复合板抗侵彻能力分析

ｆｏｌｌｏｗｅｄｗｉｔｈｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔｄｕｉｎｒｇｔｈｅｄｅｐｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｐｒｏｒｅｇｓｓ．Ｔｈｅａｔｉｒｃｌｅｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｂｏｕｔｆｒａｇ — ｍｅｎｔｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｔａｒｇｅｔｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｇｌａｓｓｉｂｆｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓＣＯＢ－ｐｏｓｉｔｅｂｏａｒｄ，ａｍｍｕｎｉｔｉｏｎａｎｄｇｒｅｎａｄｅｓｈｒａｐｎｅ１．Ａｎｄｔｈｅｎ，ｂｙｕｓｉｎｇｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｒａｇｍｃａｌｌｅｄＩＳ－ＤＹＮＡ，ｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｎｃａｍｓｈａｆｔｗａｓｐｒｏｒｅｇｓｓｅｄ，ａｆｔｅｒａｐｐｌｙｉｎｇｌｏａｄａｎｄｂｏｕｎｄａｙｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃａｌ — ｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓａｂｏｕｔａｎｔｉ — ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｌａｓｓｉｆｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏａｒｄｗａｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｌａｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｉａｒｌｃｈｏｓｅｎｆｏｒｂａｔｔｌｅｉｅｆｌｄｄｅｐｏｔｆｕｌｌｙｍｅｅｔｓｄｅｐ— ｏｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｄｅｍａｎｄａｎｄｂａｔｔｌｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌａｓｓｉｂｆｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ；ａｎｔｉ — ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｐｅｆｏｒｍａｒｎｃｅ；ＬＳ — ＤＹＮＡ

弹丸在不同速率下斜侵彻混凝土的数值模拟_冷冰林

第28卷　第3期2008年06月弹　箭　与　制　导　学　报Journal o f P rojectiles,Ro cke ts,M issile s and G uidanceVo l.28　No.3Jun2008弹丸在不同速率下斜侵彻混凝土的数值模拟＊冷冰林1,许金余1,陈　勇2,樊圣军3(1空军工程大学工程学院,西安　710038;295538部队,四川新津　611430;3西安建筑科技大学,西安　710055)摘　要:关于混凝土侵彻的研究一直是一个很活跃的领域,但由于整个侵彻过程时间极短,实验研究很难对侵彻过程进行全面准确的分析。

文中利用LS-DY NA3D有限元程序对弹丸在不同速率和着角下侵彻混凝土靶进行了三维数值模拟,得到了侵彻的整个图像和主要数据,分析了速率和着角与侵彻深度及破坏情况之间的关系。

研究表明:速率和着角对侵彻深度具有重要影响。

关键词:侵彻;数值模拟;速率;混凝土;弹丸着角中图分类号:O383.2 文献标志码:ANumerical Simulation of Projection Oblique Penetration ofConcrete Under Different VelocityLEN G Binglin1,X U Jinyu1,CH EN Yong2,FA N Sheng jun3(1T he Engineering Institute,A ir Fo rce Eng ineering U niver sity,Xi'an710038,China;2N o.95538U nit,Sichuan Xinjin611430,China;3Xi'an U niversity of A r chitecture T echnolog y,Xi'an710055,China)A bstract:T he research on projectile pene trating into concrete tar get is alway s a realm.But the time of the w ho le pene-tratio n process is very sho rt,w hich makes re sear cher s difficult to give the ge nera l and accurate analysis acco rding to ex-periment.In the paper,projectile penetr ating into concrete ta rge t wa s simulated under the different velo city and ang le of incidence,the whole picture of the penetr ation and main data wa s g ained.Acco rding to resea rch,velocity and angle of incidence plays an impo r ta nt par t in penetration depth.Keywords:penetration;nume rical simulatio n;velo city;concrete;pro jectile incidence1　引言混凝土作为一种重要的工程材料被广泛地应用于各个领域,如何有效地提高混凝土的抗侵彻能力,一直是结构工作者所关注的研究课题。

LS-DYNA动力学分析--炸药在土中爆炸GUI及APDL例子

第九章LS-DYNA动力学分析第四节LS-DYNA范例解析——炸药在土壤内部爆炸分析1．问题描述如图9-1所示，条形炸药设置在混凝土板下方一定距离处的土壤介质中，引爆炸药，试分析条形炸药爆炸后土壤的鼓包运动及混凝土板的运动过程。

图9-1炸药与混凝土板的位置示意图2．建模数值模型由炸药、土壤层、空气和混凝土板4部分组成，其中炸药、土壤和空气3种材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，混凝土板采用拉格朗日网格建模，混凝土板与空气和土壤材料间采用耦合算法。

由于是条形炸药，在中心线起爆条件下，不考虑端部效应时，可以将模型简化成平面对称问题。

为了方便建模，采用单层实体网格建模。

数值模型采用cm-g-?s单位制，具体模型尺寸见图9-2所示。

3．分析步骤（1）进入ANSYS界面1）启动ANSYS，弹出ANSYS12.0 Launcher窗口。

2）在Launcher对话框的Simulation Environment下拉列表框中选择ANSYS，在License下拉列表框中选择ANSYS/LS-DYNA。

图9-2模型尺寸图/mm3）在File Management对话框的Working Directory文本框中输入E:\explosion_undergro-und作为工作目录（假设工作目录为E盘），在Job Name文本框中输入explosion_underground作为工作文件名，其他选项用默认值。

单击Run按钮，运行ANSYS程序，进入ANSYS的操作界面。

（2）选择单元类型1）选择菜单Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框。

2）单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框，在Library of Element Types下拉列表中选择LS-DYNA Explicit和3D SOLID164，单击OK按钮关闭对话框。

基于LS-DYNA的子弹侵彻靶板仿真分析

基于LS-DYNA的子弹侵彻靶板仿真分析
1、模型建立
利用LS-DYNA分析软件，模拟子弹侵彻靶板问题。

已知条件：根据56式7.62子弹建立模型，钢铅材质；靶板厚度6mm，PE板；靶前速度780m/s。

根据以上条件，模拟侵彻过程中，靶板应力、变形及子弹靶后速度及加速度等重要的参数变化情况。

图1 子弹侵彻靶板三维模型及网格模型
2、靶板应力云图
图2 子弹刚接触靶板
图3 子弹侵入靶板
图4 子弹穿过出靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板应力逐步变小，从子弹刚接触时的1013Mpa，到子弹侵入中部时的548.7Mpa，最终子弹穿过时的463.7Mpa，均大于靶板许用应力，故造成靶板被穿透且变形。

3、靶板变形云图
图5 子弹刚接触靶板
图6 子弹侵入靶板
图7 子弹穿过靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板变形逐步变大，从子弹刚接触时的1.85mm，到子弹侵入中部时的8.76mm，最终子弹穿过时的16.14mm，故靶板被穿透后的弹孔变形最大为16.14mm。

4、子弹参数变化
图8 子弹速度变化
图9 子弹加速度变化
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，子弹速度逐步减小，加速度由大变小。

通过坐标转换，其中子弹入靶速度780m/s，出靶速度750m/s。

以ANSYS／LS-DYNA为平台的高速弹头侵彻防弹衣的仿真研究

以ANSYS／LS-DYNA为平台的高速弹头侵彻防弹衣的仿真研究摘要本文介绍了弹头侵彻防弹衣的基本原理,以有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA为平台对子弹弹头撞击以超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPEF)为材料的防弹衣的过程进行数值仿真分析,分析在侵彻瞬间100毫秒内弹头和防弹衣的变形与穿透情况,在后处理器LS-PREPOST中得出弹头与防弹衣材料的应变图与相关节点的速度时间曲线和加速度时间曲线,为优化子弹弹头与防弹衣的设计提供必要的参数数据。

关键词有限元分析;侵彻;弹头;防弹衣;应变;ANSYS/LS-DYNA;仿真0 引言现代战争对于单兵防弹衣的需求日益加大,随着军工和材料行业的飞速发展,防弹衣的新材料也成出不穷,超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPE),是世界上最坚韧的纤维且具有很高的弹性模量,是目前世界上最为先进的防弹衣材料之一。

高速弹头侵彻问题是军工领域研究的热门课题,对优化武器攻击力和防护体的防护能力都有重要意义。

本文利用ANSYS/LS-DYNA对北约7.62mm狙击步枪7.62×51mm型子弹近距离(7m)射击UHMWPE防弹衣的过程进行数值仿真分析,得到了较好的分析结果。

1 侵彻理论分析侵彻问题属冲击动力学问题涉及到材料非线性,集合非线性,和边界条件非线性,本文采用lagrange算法求解。

在拉格朗日算法中,计算网格固定在物质上随物质一起变形。

网格点与物质点在物质变形过程中始终保持重合,物质点与网格点不存在相对迁移或对流运动,这大大简化了控制方程的求解。

弹头与防弹衣材料的本构方程需要材料的行为的时间历史,该算法能够很好的处理这个问题[4]。

弹头对UHMWPEF 防弹衣的侵彻过程是包含大变形、织物破坏、损伤的动态过程,由于高速碰撞材料内部产生冲击波,这种冲击波会在材料内部形成压力、能量、密度、和质点加速度等物理量的间断点,使微分方程产生奇异点导致微分方程不收敛,为此在计算中引入人工体积粘性项来修正静水压力项。

基于LS-DYNA的不同材质靶板抗侵彻能力的数值模拟

挥着越来越重要的地位，以快速、确地模拟弹可准丸侵彻各种防弹材料的侵彻过程，结果可以直其
接以图形方式显示弹丸侵彻的全过程，易地改较
考虑结构物的形状、载荷具有对称性，模只建
１２数值模拟材料模型．
条件的限制。（）理论模型分析２
。利用力学
方面的知识对模型进行简化分析，求解得出一定条件下的侵彻理论公式，算建立的方程较为复杂，计也不能充分全面地表达侵彻的物理过程。（）数３值模拟分析。数值模拟方法在弹丸侵彻问题上发
板均采用８节点实体单元，应用单点积分并用罚函
数法来控制沙漏以得以较快的单元算法。单点积
ｌ０期
孙
娟，：等基于Ｌ —ＹＡ的不同材质靶板抗侵彻能力的数值模拟ＳＤＮ
表２钢板材料参数
分的优点是省时，用于大变形的情况，且可以适并
＠
２１ＳｉＴｃ．ｎｎ．００ｃ．ｅｈＥｇｇ
兵工技术
基于Ｌ－ＹＡ的不同材质靶板ＳＤＮ抗侵彻能力的数值模拟
孙娟杜作娟黄小忠王庭江潘鉴
（中南大学物理科学与技术学院，长沙４０８；１０３中航工业航宇公司，襄樊４１０中航工业６２所。景德镇３３０）４００；０，３００

基于ANSYS／LS-DYNA聚能射流侵彻靶板的数值模拟

线型聚能装药（Ｓ）ＬＣ也称平面对称型聚能装药，药型罩呈楔形。炸药爆炸后，高温高压的爆轰产物向装药空穴表面法线方向迅速传播，由于空穴的缘故，产物向轴线集聚并形成一股高速高压的气流，以高达几十万大气压的压力作用于药
图３线性聚能装药的基本结构与参数
平面发生碰撞，形成高速的金属射流和速度相对
Ｉ．橡皮护套；２切割索；３靶板．．
较低的杵。随着药型罩被持续压垮，射流质量和
能量不断流入，流头部也不断加速直至最大【。射４Ｊ由于杵和射流头部的速度不同，射流在运动过程逐渐拉伸并产生断流。之后随着射流质量和能量
型罩，将其压垮。而后向对称轴闭合运动，并在
对称轴发生高速碰撞，药型罩内壁附近的金属在对称平面上挤出一块向着装药底部高速运动片状金属射流。当射流与靶板作用时，迫使靶板表面压力突然达到几百万大气压。在高压作用下，靶
板表面介质被排开，向侧面积堆积。线型聚能装药正是依据这种片状的“ 能刀” 聚，实现对靶板的切割。通过数值模拟和试验两种方法相互验证和指导来研究线型聚能切割器切割靶板，合理地建立切割器模型，应用ＡＹＳＬ．ＮＡ３ＮＳ／ＳＤＹＤ软件对其进行数值模拟。
机电技术
２ｌ年ｌ月０１Ｏ
基于ＡＳ／ＳＤＮＮＹＳＬ．ＹＡ聚能射流侵彻靶板的数值模拟

应用ls-dyna3d进行爆炸分析三种模型对比分析_secret

应用LS-DYNA3D进行爆炸分析xxxxxx0 概述爆炸过程的模拟一共有三种方式：1. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间共用节点。

该方法计算速度最快。

同时，即使接触单元已经发生破裂，仍然可以继续计算。

这是因为：dyna中，单元失效（eliminating brick element）是通过将失效单元的刚度（弹性模量）设置成“0”实现的。

单元节点还继续存在（这一点可以从单元失效后单元应变＝0，而节点位移仍然存在得到证明），因此还可以继续计算。

该方法的劣势在于，当爆炸单元变形较大时，将会引起被爆炸单元的大变形，同时由于采用了共用节点，限制了爆炸单元的滑移变形，引起附加的虚假滑移刚度。

这可能会对计算结果产生一定影响。

2. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间使用接触。

可以采用的接触类型有：●*CONTACT_SLIDING_ONLY●*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE●*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE其中，SLIDING要求定义SEGMENT接触，而另外两者可以采用SEGMENT 也可以采用Part或者Part Set。

通过定义接触模拟爆炸的主要问题在于，计算有时会因为接触的计算而不收敛，通常表现为网格单元的突然膨胀，计算过程突然中止而不提示任何错误与警告信息等等。

产生这种情况的原因有很多，如错误或不恰当的输入、网格的疏密、单位制匹配、各种参数的选取等（有时默认值不一定是最好的）。

网格畸变过大等原因也会对接触的计算产生影响。

从计算过程的维持来看，显然共用节点方法更加鲁棒，即使网格畸变很大仍然可以继续进行计算，当然此时的计算精度就很难保证了。

3. ALE技术，即爆炸单元采用Euler或ALE单元，被爆炸物采用Lagrange单元，两种网格之间通过定义耦合实现爆炸过程模拟。

初始攻角对钻地弹斜侵彻土壤影响的数值模拟

初始攻角对钻地弹斜侵彻土壤影响的数值模拟周玉兵;郭锐;周昊;张鹏【摘要】运用ANSYS/LS-DYNA软件，对初始攻角为5°，8°，12°的钻地弹斜侵彻土壤的过程进行数值模拟，得到了弹体运动轨迹图、侵彻深度曲线、以及侵彻土壤加速度时程曲线；通过比较，总结出初始攻角对斜侵彻土壤时运动轨迹和规律的影响，为钻地弹斜侵彻土壤研究提供参考。

%ANSYS/LS-DYNA software is used to numerical y simulate the earth penetrating shel into soil. Its initial attackangles are spectively 5°, 8°, 12°. The movement path and laws, the deceleration-line curves and the depth-line curves are got through analysis, By comparison with each other, the influence of the initial attackangle on penetrating shel into soil is summed up.A reference is given to the earth penetrating shel study.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】3页(P117-119)【关键词】ANSYS/LS-DYNA;钻地弹;斜侵彻;数值模拟【作者】周玉兵;郭锐;周昊;张鹏【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094; 73862部队，江西上饶334111;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ762;TP391.90 前言钻地弹又称侵彻弹，是一种能够钻入目标深层并引爆的弹药，是针对重要目标实施“外科手术”的重要武器，其对土壤的侵彻问题是军工领域、防护工程领域一个重要的研究课题。

基于ANSYS和LS-DYNA的钢弹侵彻钢板数值数字模拟

基于ANSYS/LS-DYNA的钢弹侵彻钢板数值模拟摘要：利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件Lagrange算法，对钢弹以一定的角度斜侵彻厚钢板进行了全过程的数值模拟，求解着速度为1000m/s左右的钢弹侵彻钢板的动力响应时间历程,获取钢弹侵彻钢板的速度、加速度和Von-Mises应力云图,帮助我们分析高速碰撞过程并量化碰撞过程中物质内部的变化。

关键词：有限元分析ANSYS LS-DYNA钢弹侵彻数值模拟0 引言钢弹侵入是十分复杂的固体动力学问题，其大量的中间过程如弹、靶的相对速度，弹靶接触面运动规律，应力分布与传播，能量和动能的转化等难以通过理论分析与计算得到。

数值分析方法为研究钢板侵彻问题提供了良好的教学手段，通过对钢弹及钢板在侵彻过程中网格变化,记录钢弹与钢板作用过程的全部信息,从而反映真实的侵彻过程。

1 ANSYS/LS-DYNA有限元软件ANSYS/LS-DYNA是由美国公司开发的一款软件,由于ANSYS/LS-DYNA程序有强大的数值模拟功能,它在民用和国防工业领域有广泛的应用。

主要涉及爆破工程的安全分析流体结构相互作用;战斗部结构的设计分析;内弹道发射对结构的动力响应分析;侵彻过程及爆炸成坑模拟分析;军用设备和结构设施受碰撞和爆炸冲击加载的结构动力分析;超高速碰撞模拟分析等。

本文采用了ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对钢弹侵彻钢板进行数值模拟、仿真与分析。

2 有限元模型2.1 钢弹侵彻3cm钢板计算机算法和材料模型选择本试验属于典型的钢弹侵彻钢板问题,钢弹速度中等,属于中速撞击范围。

钢弹及钢板计算模型如图1所示。

图1 模型示意图钢弹尺寸（直径1.5cm ，长度5.0cm ）与钢板尺寸(厚度3.0cm,长度30.0cm 宽度30.0cm)相比要小得多,可以认为钢板是无限域。

在这种情况下,钢板可视为轴对称体,由于钢弹也为轴对称体,为了简化问题的计算,在分析的过程中只建立二分之一个模型。

细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型

第38卷第6期爆炸与冲击V o l.38,N o.6 2018年11月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S N o v.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0123文章编号:1001-1455(2018)06-1364-08细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型*吴成,沈晓军,王晓鸣,姚文进(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京210094)摘要:为研究细观混凝土靶的侵彻规律,采用L S-D Y N A软件对刚性弹丸侵彻两相混凝土靶进行了数值模拟㊂结果表明,影响靶板抗侵彻能力的主要因素是砂浆种类㊁粗骨料种类和粗骨料体积分数;混凝土靶中的砂浆与对应的砂浆靶中的砂浆产生的阻力接近;混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石㊂通过扩展F o r r e s t a l阻力方程,建立了细观混凝土侵彻深度模型,模型和数值模拟一致性很好㊂关键词:侵彻;细观;混凝土;L S-D Y N A;侵彻深度中图分类号:O385国标学科代码:13035文献标志码:A弹丸对混凝土的侵彻深度一直是军事领域的热点问题[1-3]㊂对于大坝混凝土[4],粗骨料通常为天然骨料,这意味着不同地方大坝中的粗骨料力学性能差异很大,粗骨料最大粒径普遍达到150mm,且粗骨料最大粒径离散大(例如胡佛水坝为229mm,青铜峡拦河大坝为80mm),粗骨料的体积分数差异也很大㊂所以,研究粗骨料对弹丸侵彻混凝土靶的影响具有重要意义㊂关于粗骨料对混凝土靶的抗侵彻能力问题,A.N.D a n c y g i e r等[5]和S.W a n g等[6]实验证明了含有粗骨料的混凝土比无粗骨料混凝土的抗侵彻能力强;张伟等[7]实验研究了粗骨料粒径对破片侵彻深度㊁成坑体积和开坑剥落碎片的尺寸的影响;张凤国等[8]通过数值模拟比较了侵彻细观混凝土模型与均质混凝土模型的差异;Q.F a n g等[9]建立了碎石粗骨料混凝土的有限元模型,模拟了变形弹体的侵彻规律;张兆军等[10]通过数值模拟研究了粗骨料种类对贯穿混凝土靶剩余速度的影响㊂当前的研究以实验和数值模拟方法为主,对于最大粗骨料尺寸d a与弹丸直径d的比值d a/dɤ1.5时的数值模拟,缺乏侵彻深度影响因素分析和砂浆与粗骨料的受力分析㊂为深刻理解混凝土抗侵彻机理,节约经费和计算时间,需要发展细观尺度侵彻深度理论㊂本文中将混凝土简化为砂浆和粗骨料两相复合材料,通过数值模拟得到细观尺度混凝土靶对侵彻深度的影响规律,并进行混凝土中砂浆和粗骨料的受力分析㊂建立考虑粗骨料种类㊁砂浆种类和粗骨料体积分数的弹丸侵彻细观混凝土靶的侵彻深度理论模型㊂1粗骨料对刚性弹侵彻深度影响的数值模拟通过数值模拟来系统研究粗骨料对正侵彻刚性弹侵彻深度的影响规律,从而找到影响侵彻深度的主要因素以及砂浆和粗骨料的受力特点,为理论模型的建立奠定基础㊂1.1细观有限元模型建立将混凝土简化为粗骨料和砂浆两相复合材料㊂在冲击载荷下,混凝土的破坏通常会穿过粗骨料,因此忽略复杂的界面过渡区,将粗骨料和砂浆材料间的接触简化为共节点㊂基于背景网格的材料识别方法[10],将粗骨料投放在靶板中,即使用编程软件随机生成粗骨料的位置和半径,并输出为网格生成软件T r u e G r i d的命令流,将一部分基体材料替换为骨料材料,从而生成两相网格㊂将弹丸初速和靶板本构等物理量赋予网格文件,并使用动力学数值模拟软件L S-D Y N A进行求解㊂*收稿日期:2017-04-14;修回日期:2017-05-22基金项目:国家自然科学基金项目(11602111)第一作者:吴成(1989 ),男,博士研究生,q q q w u c h e n g@163.c o m㊂为了降低数值模拟计算量,只加密混凝土靶中心区域,并且只对中心区域投放粗骨料㊂外围区域的局部冲击效应较弱,砂浆的力学性能可大体表征混凝土整体的力学性能,所以外围区域简化为砂浆㊂对比一组中心加密区尺寸为3倍弹径和5倍弹径的混凝土调试算例,其侵彻深度差异为1.6%,说明加密区尺寸不小于3倍弹径时,中心区域尺寸和外围区域简化合理㊂混凝土的有限元网格如图1所示㊂图1三维混凝土靶网格的截面F i g .1C r o s s s e c t i o no f 3Dc o n c r e t e t a r ge t g r i d H J C 本构模型适用于描述大应变㊁高应变率和高压下的混凝土类材料[11]㊂粗骨料材料参数使用方秦等[12]给出的S a l e m 石灰岩H J C 本构参数,如表1所示㊂砂浆材料参数使用C .S .M e ye r 等[13]给出的S 型砂浆H J C 本构参数,如表2所示㊂由于中心区域外对侵彻深度影响很小,中心区域外采用和砂浆相同的本构参数来简化㊂表1S a l e m 石灰岩H J C 本构参数T a b l e 1H J Cm o d e l pa r a m e t e r s o f S a l e ml i m e s t o n e ρ0/(g ㊃c m -3)G /G P aA B CNfᶄc /M P a T /M P aε㊃0/s -1E f ,m i n2.3100.551.230.00970.8960410.01S m a x P c r u s h /M P a μc r u s h P l o c k /G P a μl o c k D 1D 2K 1/G P a K 2/G P a K 3/G P a 20200.0012520.1740.041.039-223550表2S 型砂浆H J C 本构参数T a b l e 2H J Cm o d e l p a r a m e t e r s o f t y pe Sm o r t a r ρ0/(g ㊃c m -3)G /M P aA B C Nf ᶄc /M P a T /M P aε㊃0/s -1E f ,m i n1.60411500.661.3350.00180.84512.31.810.01S m a xP c r u s h /M P a μc r u s h P l o c k /M P a μl o c k D 1D 2K 1/M P a K 2/G P a K 3/G P a 80.2413.80.0075109.60.150.0066291.0300-2191.2 侵彻方案及结果由于全尺寸细观网格模型过于庞大,采用直径d =40mm 的缩比弹丸进行数值模拟㊂弹丸头部曲径比Ψ=2.0,质量m =1733g ㊂S a l e m 石灰岩密度ρg =2.3g /c m 3,S 型砂浆密度ρs =1.6g /c m 3㊂数值模拟方案及数值模拟得到的侵彻深度P 如表3所示㊂由于混凝土的屈服强度与围压和应变率相关,所以需要考虑入射速度v 0的影响,为确保弹丸为刚性弹,入射速度v 0最大为800m /s ,为覆盖常见的入射速度,最小为300m /s ㊂球体和各种形状长方体粗骨料能够大体表征各种形状的粗骨料㊂缩比弹丸直径d =40mm ,最大粗骨料尺寸d a 达到60mm ,d /d a 覆盖多数实际钻地弹工况㊂实际混凝土为连续级配,为研究级配对侵彻深度P 的影响,增加了相同粗骨料尺寸的级配形式㊂由于随机方向长方体粗骨料的有限元网格建模工作量大,这里采用最短边与弹轴平行和垂直两个算例的侵彻深度P 的平均值,来近似代表随机方向长方体粗骨料方案㊂粗骨料体积分数φ对侵彻深度P 影响较大,φ超过5631 第6期吴成,等:细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型50%后,会导致粗骨料投放时间过长,所以这里投放的粗骨料体积分数φ只达到50%㊂使用侵彻不同靶板位置的算例来模拟随机投放粗骨料对侵彻深度P离散的影响㊂表3侵彻数值模拟方案及侵彻深度PT a b l e3N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s c h e m e a n d p e n e t r a t i o nd e p t h P方案v0/(m㊃s-1)粗骨料形状d a/mm粗骨料级配粗骨料方向φ/%附加说明P/c m1500球体⌀25F u l l e r连续级配-33-73.9 2500球体⌀40F u l l e r连续级配-33-74.63500球体⌀60F u l l e r连续级配-33撞击位置1(轴线)73.54500球体⌀60F u l l e r连续级配-33撞击位置2(横向偏移2c m)73.35500球体⌀60F u l l e r连续级配-33撞击位置3(横向偏移-2c m)73.7 6500长方体30ˑ30ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴平行33-69.2 7500长方体30ˑ30ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴垂直33-75.8 8500长方体30ˑ20ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴平行33-70.8 9500长方体30ˑ20ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴垂直33-75.7 10500长方体30ˑ10ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴平行33-69.9 11500长方体30ˑ10ˑ103种粗骨料尺寸最短边与弹轴垂直33-75.8 12500球体⌀40F u l l e r连续级配-20-85.0 13500球体⌀40粗骨料尺寸相同-20-88.3 14500球体⌀40F u l l e r连续级配-50-66.1 15500----100靶板为岩石27.0 16500----0靶板为砂浆97.6 17800球体⌀40F u l l e r连续级配-33-153.3 18300球体⌀40F u l l e r连续级配-33-33.8 1.3结果分析1.3.1侵彻深度影响因素对于方案6~11,粗骨料最短边与弹轴平行或垂直,实际情况中,粗骨料方向是随机的,这里,侵彻深度P取两个方向的平均值㊂其中,方案6~7的平均侵彻深度P=72.5c m,方案8~9的平均侵彻深度P=73.3c m,方案10~11的平均侵彻深度P=72.9c m㊂由图2(a)~(d)可知,最大粗骨料尺寸d a㊁撞击位置㊁粗骨料形状和粗骨料级配方式对侵彻深度P 的影响均小于3.7%,可忽略不计㊂由图2(e)可知,随着粗骨料体积分数φ的提高,侵彻深度P显著降低㊂可见,当弹丸以相同入射速度v0侵彻同种类粗骨料和砂浆的混凝土靶时,对于多数钻地弹工况(最大粗骨料直径/弹丸直径d a/dɤ1.5),影响侵彻深度P的主要因素是粗骨料体积分数φ㊂1.3.2粗骨料受力分析为对比砂浆靶㊁混凝土靶和岩石靶中相同部分砂浆和岩石对弹丸产生的阻力,建立了图3所示的砂浆靶㊁混凝土靶和岩石靶的细观有限元网格㊂砂浆靶通过将混凝土靶中的岩石本构参数替换为砂浆本构参数而得到,岩石靶通过将混凝土靶中砂浆本构参数替换为岩石本构参数得到㊂图4对比了不同瞬时侵彻深度下混凝土靶中的砂浆和对应的砂浆靶中相同部分砂浆对弹丸施加的轴向阻力,混凝土靶中的砂浆产生的阻力与对应的砂浆靶中的砂浆产生的阻力近似相等㊂图5对比了不同瞬时侵彻深度下混凝土靶中的岩石和对应的岩石靶中相同部分的岩石对弹丸施加的轴向阻力,混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石产生的阻力㊂图6为侵彻过程中体应变㊁网格截面及等效剪应变,砂浆的应变大于粗骨料的应变㊂6631爆炸与冲击第38卷图2最大粗骨料尺寸d a㊁撞击位置㊁粗骨料形状㊁粗骨料级配方式㊁粗骨料体积分数φ对侵彻深度P的影响F i g.2I n f l u e n c e o fm a x i m u mc o a r s e a g g r e g a t e s i z e d a,i m p a c t p o s i t i o n,c o a r s e a g g r e g a t e s h a p e,c o a r s e a g g r e g a t e g r ad a t i o n,c o a r se a g g r e g a t e v o l u m ef r a c t i o nφo n p e n e t r a t i o nd e p t h P图3砂浆靶㊁混凝土靶和岩石靶的细观有限元网格F i g.3M e s o s c o p i c f i n i t e e l e m e n t g r i do fm o r t a r t a r g e t,c o n c r e t e t a r g e t a n d r o c k t a r g e t图4混凝土靶和砂浆靶中相同部分砂浆对弹丸施加的轴向阻力对比F i g.4C o m p a r i s o no f t h e a x i a l r e s i s t a n c e t o p r o j e c t i l e f r o mt h em o r t a ri n t h e s a m e p a r t o f c o n c r e t e t a r g e t a n dm o r t a r t a r g e t 7631第6期吴成,等:细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型图5混凝土靶和岩石靶中相同部分岩石对弹丸施加的轴向阻力对比F i g .5C o m p a r i s o no f t h e a x i a l r e s i s t a n c e t o p r o j e c t i l e f r o mt h e r o c k i n t h e s a m e p a r t o f c o n c r e t e t a r g e t a n d r o c k t a r ge t 图6体应变㊁网格截面及等效剪应变F i g.6V o l u m e t r i c s t r a i n ,c r o s s s e c t i o no f g r i da n de f f e c t i v e s h e a r s t r a i n 由于混凝土靶中粗骨料强度远大于砂浆强度,粗骨料可压缩性远小于砂浆压缩性,所以当弹丸撞击到粗骨料时,砂浆的存在降低了粗骨料与弹丸的接触力㊂第一,砂浆的平均主应变大于粗骨料的,即砂浆的体积压缩大于粗骨料,使得粗骨料在砂浆中移动;第二,砂浆的等效剪应变大于粗骨料的,说明砂浆围绕粗骨料剪切流动,进一步促进粗骨料在砂浆中移动;第三,砂浆提供给粗骨料的围压较低并且粗骨料的强度随静水压力的降低而减小,使得粗骨料易产生横向变形㊂所以混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石产生的阻力㊂反之,由于较软砂浆材料相互连通,粗骨料介质对砂浆的阻力性能影响较小,所以混凝土靶中的砂浆产生的阻力与对应的砂浆靶中的砂浆接近㊂2 刚性弹丸侵彻细观混凝土靶的侵彻深度模型通常使用混凝土的无约束单轴抗压强度来衡量素混凝土的抗侵彻能力㊂但是,对于普通强度混凝土,无约束单轴抗压强度主要取决于砂浆强度,不能反映出粗骨料含量及种类,造成抗侵彻能力的差异很大,而传统的侵彻阻力预估方法无法反映这种差异㊂将混凝土的粗骨料状况引入传统的侵彻阻力理论中,从而得到更可靠的侵彻深度模型㊂M.J .F o r r e s t a l 等[14]基于球形空腔膨胀理论,并简化开坑阶段,得到了卵形弹丸侵彻均质混凝土的阻力:F =Cz 0<z <4aπa 2(σ+N ρv 2) z >4{a (1)式中:z 为瞬时侵彻深度,C 为常数系数,可通过z =4a 时两个阻力方程相等求出,a 为弹丸半径,σ为混凝土的静阻应力,N 为头部形状系数,N =(8Ψ-1)/(24Ψ2),Ψ为卵形弹丸头部曲径比,ρ=φρg +(1-φ)ρs 为混凝土密度,v 为弹丸瞬时速度㊂由式(1)可知,弹丸侵彻进入混凝土后,阻力由两部分组成:一部分是静阻力πa 2σ,即弹丸的一部分8631爆炸与冲击第38卷动能转换为混凝土的变形能;另一部分是惯性阻力πa 2N ρv 2,即弹丸的另一部分动能转换为混凝土的动能㊂惯性阻力中,与混凝土细观特征有关的是密度ρ,通过砂浆与粗骨料的密度与体积分数计算㊂静阻力中,与混凝土细观特征有关的是静阻应力σ㊂由数值模拟侵彻深度分析可知,粗骨料形状㊁撞击位置㊁最大粗骨料尺寸和粗骨料级配方式对混凝土侵彻深度的影响可忽略,所以其对混凝土静阻应力σ的影响可忽略㊂弹丸头部的阻力由砂浆和粗骨料叠加而成,不同时刻头部接触砂浆或粗骨料的比例不同㊂但是,对于深侵彻,弹丸头部穿过大量砂浆和粗骨料,统计上,弹丸头部与砂浆或粗骨料接触的比例与各组分的体积分数相同㊂同时,由数值模拟可知,文中使用的粗骨料大小和级配方式对侵彻深度的影响可忽略,即,不同时刻接触不同大小的粗骨料的阻应力特性是相同的㊂所以,简化细观混凝土为等效均质材料,其平均力学性能通过细观组分的阻应力线性叠加而成,即,通过线性叠加的方式修正F o r r e s t a l 阻力方程中的σ,从而将F o r r e s t a l 阻力方程扩展应用到了细观混凝土上,得到等效静阻应力:σ=φσg +(1-φ)σs (2)式中:σg 为粗骨料静阻应力,σs 为砂浆静阻应力㊂φσg 代表混凝土静阻应力的粗骨料部分,(1-φ)σs 代表混凝土静阻应力的砂浆部分㊂由图4可知,混凝土中粗骨料的加入不影响砂浆部分的静阻应力σs ,即σs 是砂浆的固有特性,与粗骨料的体积分数φ无关㊂不同种类砂浆对粗骨料的弱化作用不同,从而影响粗骨料静阻应力σg ,即σg 不仅与岩石的特性有关,还取决于砂浆种类㊂由于粗骨料体积分数φ的改变不影响砂浆对粗骨料的弱化程度,可假设不同粗骨料体积分数φ下σg 大小不变㊂由公式(1)~(2)得出细观混凝土靶的侵彻深度:P =m 2πN a 2[φρg +(1-φ)ρs ]l n 1+N {m v 20-4πa 3[φσg +(1-φ)σs ]}[φρg +(1-φ)ρs ]{m +4πa 3N [φρg +(1-φ)ρs ]}[φσg +(1-φ)σs æèçöø÷]+4a (3) 静阻应力σs 和σg 的标定㊂公式(3)中只有σs 和σg 不可直接获得,可通过侵彻深度P 反向标定σs 和σg ㊂数值模拟方案16给出了砂浆靶的侵彻深度,此时粗骨料体积分数φ=0,由公式(3)可反求出砂浆静阻应力σs =155M P a ㊂混凝土靶中的粗骨料体积分数φ较小时,侵彻深度对粗骨料静阻应力σg 的变化不敏感,估算的σg 精度低㊂所以,为得到准确的σg ,选择数值模拟方案14,其粗骨料体积分数φ=50%,将σs =155M P a 代入公式(3),求出σg =328M P a ㊂图7(a )对比了常用的刚性弹丸入射速度v 0(300~800m /s )下,公式(3)和数值模拟预测的侵彻深度P ,结果显示,公式(3)和数值模拟一致性很好,这说明此工况范围内砂浆和粗骨料强度的应变率效应弱㊂图7(b )对比了不同粗骨料体积分数φ下,公式(3)和数值模拟预测的侵彻深度P ㊂对于真实的混凝土级配,粗骨料体积分数φ很难超过65%[15],粗骨料体积分数φ超过65%可以通过块石砌体实现,粗骨料体积分数φ=100%代表岩石㊂对于混凝土,公式(3)和数值模拟一致性很好,这验证了混凝土中图7不同入射速度v 0和不同粗骨料体积分数φ下侵彻深度的理论和数值模拟对比F i g .7C o m p a r i s o no f p e n e t r a t i o nd e p t hb e t w e e n t h e o r y a n d s i m u l a t i o na t d i f f e r e n t i m p a c t v e l o c i t y v 0a n dd i f f e r e n t c o a r s e a g g r e ga t e v o l u m e f r a c t i o n φ9631 第6期吴成,等:细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型0731爆炸与冲击第38卷粗骨料的静阻应力与粗骨料的体积分数无关这个基本假设㊂对于块石砌体,超出了本文的研究范围,公式(3)的适用性还需进一步验证㊂对于岩石,由于没有砂浆对其弱化,使得岩石静阻应力远大于混凝土中的粗骨料,所以,使用混凝土中粗骨料的静阻应力σg计算得出的侵彻深度较大㊂本文中最大粗骨料尺寸与弹丸直径的比值d a/dɤ1.5,对于d a/d>1.5的情况,可以推测,弹丸与粗骨料的局部作用逐渐增强,使得粗骨料静阻应力σg逐渐趋近岩石,侵彻的尺寸效应将变得显著,该部分内容需要在今后的工作中进一步研究㊂3结论在刚性弹侵彻常用入射速度v0(300~800m/s)下,最大粗骨料尺寸与弹丸直径的比值d a/dɤ1.5时,细观混凝土的抗侵彻规律如下:(1)对于同一弹丸以相同入射速度v0侵彻同种类骨料和砂浆的混凝土靶,粗骨料形状㊁撞击位置㊁最大粗骨料尺寸d a和粗骨料级配方式对侵彻深度P的影响可忽略,影响侵彻深度的主要因素是粗骨料体积分数φ㊂(2)混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石产生的阻力,混凝土靶中的砂浆产生的阻力与对应的砂浆靶中的砂浆产生的阻力接近㊂(3)通过扩展F o r r e s t a l阻力方程,得到了刚性弹丸侵彻细观混凝土靶的侵彻深度理论模型,模型与数值模拟一致性很好㊂(4)影响混凝土静阻应力σ的主要因素是砂浆种类㊁粗骨料种类和粗骨料体积分数φ㊂砂浆静阻应力σs与粗骨料体积分数φ无关㊂参考文献:[1] L IQ M,R E I DSR,W E N H M,e t a l.L o c a l i m p a c t e f f e c t s o f h a r dm i s s i l e s o n c o n c r e t e t a r g e t s[J].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o f I m p a c tE n g i n e e r i n g,2005,32(1):224-284.[2]程怡豪,王明洋,施存程,等.大范围着速下混凝土靶抗冲击试验研究综述[J].浙江大学学报(工学版),2015(4):616-625.C H E N G Y i h a o,WA N G M i n g y a n g,S H IC u n c h e n g,e t a l.R e v i e wo f e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no f c o n c r e t e t a r g e tt o r e s i s tm i s s i l e i m p a c t i n l a r g e v e l o c i t y r a n g e[J].J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2015(4): 616-625.[3] F O R R E S T A L MJ,T Z O U D Y.As p h e r i c a l c a v i t y-e x p a n s i o n p e n e t r a t i o nm o d e l f o r c o n c r e t e t a r g e t s[J].I n t e r n a-t i o n a l J o u r n a l o f S o l i d s a n dS t r u c t u r e s,1997,34(31):4127-4146.[4]水利水电科学研究院结构材料研究所.大体积混凝土[M].北京:水利电力出版社,1990:76-79.[5] D A N C Y G I E R A N,Y A N K E L E V S K Y DZ,J A E G E R MA N NC.R e s p o n s e o f h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e p l a t e s t oi m p a c t o f n o n-d e f o r m i n gp r o j e c t i l e s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c tE n g i n e e r i n g,2007,34(11):1768-1779.[6] WA N GS,L EH TN,P OHLH,e t a l.R e s i s t a n c e o f h i g h-p e r f o r m a n c e f i b e r-r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s a g a i n s th i g h-v e l o c i t yp r o j e c t i l e i m p a c t[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c tE n g i n e e r i n g,2016,95:89-104.[7]张伟,慕忠成,肖新科.骨料粒径对混凝土靶抗高速破片侵彻影响的实验研究[J].兵工学报,2012,33(8):1009-1015.Z HA N G W e i,MUZ h o n g c h e n g,X I A O X i n k e.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n e f f e c t o f a g g r e g a t e s i z e t o a n t i-p e n e t r a t i o n a-b i l i t y o fc o n c r e t e t a r g e t s s u b j e c t ed t oh i g h-ve l o c i t yf r ag m e n t s[J].A c t aA r m a m e n t a r i i,2012,33(8):1009-1015.[8]张凤国,刘军,梁龙河,等.数值建模时骨料对混凝土侵彻及毁伤问题的影响[J].爆炸与冲击,2013,33(2):217-220.Z HA N GF e n g g u o,L I U j u n,L I A N GL o n g h e,e t a l.I n f l u e n c e o f a g g r e g a t e o n p e n e t r a t i o n p r o c e s s o f c o n c r e t e t a r g e t w h e nn u m e r i c a lm o d e l i n g[J].E x p l o s i o na n dS h o c k W a v e s,2013,33(2):217-220.[9] F A N G Q,Z HA N GJ.3Dn u m e r i c a lm o d e l i n g o f p r o j e c t i l e p e n e t r a t i o n i n t o r o c k-r u b b l e o v e r l a y s a c c o u n t i n g f o r r a n-d o md i s t r i b u t i o no f r o c k-r u b b l e[J].I n te r n a t i o n a l J o u r n a l of I m p a c tE ng i n e e r i n g,2014,63(1):118-128.[10]张兆军,王晓鸣,李文彬.粗骨料种类对刚性弹贯穿混凝土靶剩余速度的影响[J].振动与冲击,2014,33(7):170-173.Z HA N GZ h a o j u n ,WA N GX i a o m i n g ,L IW e n b i n .E f f e c t o f c o a r s e a g g r e g a t e t y p e o n r e s i d u a l v e l o c i t y o f r i g i d -p r o -j e c t i l e s -p e r f o r a t i n g c o n c r e t e t a r g e t s [J ].J o u r n a l o fV i b r a t i o na n dS h o c k ,2014,33(7):170-173.[11] HO L QMU I S T TJ ,J OHN S O N GR ,C O O K W H.Ac o m p u t a t i o n a l c o n s t i t u t i v em o d e l f o r c o n c r e t e s u b je c t e d t o l a r g e s t r a i n s ,h i g h s t r a i n r a t e ,a n d h i g h p r e s s u r e s [C ]ʊP r o c e e d i n g s of 14t h I n t e r n a t i o n a l S y m po s i u mo nB a l l i s t i c s .Q u e b e c ,C a n a d a ,1993:591-600.[12] 方秦,孔祥振,吴昊,等.岩石H o l m q u i s t -J o h n s o n -C o o k 模型参数的确定方法[J ].工程力学,2014,31(3):197-204.F A N G Q i n ,K O N GX i a n g z h e n ,WU H a o ,e t a l .D e t e r m i n a t i o n o fH o l m q u i s t -J o h n s o n -C o o k c o n s i t i u t i v em o d e l p a -r a m e t e r s o f r o c k [J ].E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ,2014,31(3):197-204.[13] M E Y E R CS .D e v e l o p m e n tofg e o m a t e r i a l p a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n su s i n g th e H o l m q ui s t -J o h n s o n -C o o kc o n s t i t u t i v em o d e l f o r c o n c r e t e :A R L -T R -5556[R ].A r m y R e s e a r c hL a b o r a t o r y A b e r d e e nP r o v i n g G r o u n d m d W e a po n s a n d M a t e r i a l sR e s e a r c hD i r e c t o r a t e ,2011.[14] F O R R E S T A L MJ ,F R E W DJ ,H I C K E R S O NJP ,e t a l .P e n e t r a t i o no f c o n c r e t e t a r g e t sw i t hd e c e l e r a t i o n -t i m e m e a s u r e m e n t s [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c tE n g i n e e r i n g,2003,28(5):479-497.[15] 徐飞.普通混凝土骨料最小空隙率的探讨[J ].混凝土,2004(3):17-18.X U F e i .T h e r e s e a r c ho fm i n i m a l f r a c t i o nv o i do f c o n c r e t e a g g r e ga t e [J ].C o n c r e t e ,2004(3):17-18.N u m e r i c a l s i m u l a t i o no na n t i -p e n e t r a t i o na n d p e n e t r a t i o nd e p t hm o d e l o fm e s o s c a l e c o n c r e t e t a r ge t WU C h e n g ,S H E N X i a o j u n ,WA N G X i a o m i n g ,Y A O W e n ji n (M i n i s t e r i a lK e y L a b o r a t o r y o f Z N D Y ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,N a n j i n g 210094,J i a n g s u ,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o s t u d y t h e p e n e t r a t i o n l a wo f t h em e s o s c a l e c o n c r e t e t a r g e t ,T h eL S -D Y N As o f t -w a r e i s u s e d t o s i m u l a t e t h e p e n e t r a t i o n o f r i g i d p r o j e c t i l e s i n t o t w o -p h a s e c o n c r e t e t a r g e t .T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h e p e n e t r a t i o nr e s i s t a n c eo f t h e t a r g e t a r em o r t a r t y p e ,c o a r s e a g g r e g a t e t y p e a n dc o a r s ea g g r e g a t ev o l u m e f r a c t i o n .T h er e s i s t a n c eo fm o r t a r i nc o n c r e t e t a r ge t i s c l o s e t o t h e s a m e p a r t o fm o r t a r i nm o r t a r t a r g e t .T h e r e s i s t a n c e of c o a r s e ag g r e g a t e i n c o n c r e t e t a r g e t i sm u ch l o w e r t h a n t h e s a m e p a r t o f r o c ki nr o c k t a r g e t .B y e x t e n d i n g t h eF o r r e s t a l r e s i s t a n c e e q u a -t i o n ,t h e p e n e t r a t i o nd e p t h m o d e l o fm e s o s c a l ec o n c r e t e i se s t a b l i s h e d ,w h i c hi s i n g o o da g r e e m e n t w i t h t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n .K e yw o r d s :p e n e t r a t i o n ;m e s o s c a l e ;c o n c r e t e ;L S -D Y N A ;p e n e t r a t i o nd e p t h (责任编辑曾月蓉)1731 第6期吴成,等:细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型。

自己总结的五种LS-DYNA土壤材料模型参数资料

*EOS_GRUNEISEN
2 0.250E-01 0.4E+00 0.000E+00 0.000E+00 2.10E+00 0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
2 1.8 4.738E-04 0.48 7.7E-05 1.601E-04 0.2
0.00 , 0.00
0.00, -1.04e-01, -1.61e-01, -1.92e-01, -2.24e-01, -2.46e-01, -2.71e-01, -2.83e-01
-2.90e-01, -4.00e-01
0.00 , 2.0e-04, 4.0e-04 ,6.0e-04 , 1.2e-03 , 2.0e-03 , 4.0e-03 , 6.0e-03 8.0e-03 , 4.1e-02
5.66E-1,1.23E+00
*MAT_SOIL_AND_FOAM
2 1.8E+0 6.385E-4 3.00E-1 3.4E-1
3 7.033E-7 0.30E+0 -6.90E-8
0.0
0.0 -1.04E-1 -1.61E-1 -1.92E-1 -2.24E-1 -2.46E-1 -2.71E-1 -2.83E-1
0 0 0
*MAT_FHWA_SOIL_NEBRASKA
2 1.0E-0
3 1 1.0E-03
*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE
2 , 1.8e+00 ,6.385e-04, 3.00E-01, 3-6.90e-08
下面是五六套土壤参数吧
*MAT_SOIL_AND_FOAM

弹头形状对侵彻多层靶弹道的影响

李鹏飞，吕永柱，周涛，肖川，宋浦弹头形状对侵彻多层靶弹道的影响李鹏飞1，吕永柱1，周涛1，肖川2，宋浦1（1.西安近代化学研究所，陕西西安710065；2.中国兵器科学研究院，北京100089）摘要：为了提高侵彻弹斜侵彻多层混凝土靶过程弹道稳定性，提出了头部刻槽形弹体结构和尖卵形弹体结构设计。

基于LS‑DYNA 软件开展数值模拟计算，并进行了两种弹体侵彻10层混凝土靶试验。

研究表明：在侵彻单层混凝土薄靶的过程中，随初始攻角增大弹体姿态偏转角度增大，刻槽形弹体相对尖卵形弹体姿态偏转相对较小。

对比侵彻10层混凝土靶试验结果，刻槽形弹体相对尖卵形弹体可显著减少弹体偏转姿态，具有较好的侵彻弹道稳定性。

关键词：侵彻力学；弹头形状；多层靶；攻角；偏转角；侵彻弹道中图分类号：V219；TJ014文献标志码：ADOI ：10.11943/CJEM20202911引言自侵彻弹在海湾战争中应用以来，对洞穴、工事、建筑目标表现出优异的毁伤能力。

侵彻弹已经成为各国争相发展的常规打击武器。

在侵彻弹打击大型建筑目标时，弹体逐层侵彻多层混凝土靶，属于非正侵彻，常伴随着一定的弹道和弹体姿态的偏转，随着层数增加偏转更加剧烈，对弹体力学响应、装药安定性影响严重，因此对多层靶斜侵彻过程的弹体姿态偏转研究尤为重要。

尹放林等［1］基于弹靶分离的思想，采用微分面力方法推导了侵彻弹道平面运动的方程，对岩石侵彻的弹道轨迹进行了预测。

Chen ［2］对混凝土斜侵彻问题展开过理论研究，建立了斜侵彻混凝土薄靶时弹道偏转角的理论公式。

孔祥振［3］，薛建锋等［4］基于弹性‑损伤‑塑性响应分区模型构造了靶自由表面衰减函数，对法向半经验法向阻力函数修正，得到靶体倾斜角、弹体速度对侵彻深度和偏转角的影响趋势。

高旭东［5］、吴普磊等［6］基于刚性弹假设和混凝土侵彻运动模型研究了一定着角、小攻角条件对侵彻弹道偏转的影响规律。

针对弹体斜侵入靶体的过程，文献［7］通过引入一个阻力不对称系数K c ，减小弹体一侧表面的阻力从而引起弹体姿态偏转。

基于自由落体的落石冲击土层的理论及LS-DYNA模拟研究

基于自由落体的落石冲击土层的理论及LS-DYNA模拟研究王星; 周天跃; 师江涛; 夏永旭【期刊名称】《《北京交通大学学报》》【年(卷),期】2019(043)004【总页数】9页(P9-17)【关键词】防护结构; 落石冲击; 理论研究; 数值模拟【作者】王星; 周天跃; 师江涛; 夏永旭【作者单位】长安大学公路学院西安710064; 陕西交通建设集团西安710086【正文语种】中文【中图分类】TU45滚石灾害已经成为目前中国的3大地质灾害问题之一，尤其是雨季时隧道洞口处的滚石灾害情况更为严峻.各种滚石防护结构便应需而设，而防护结构设计的核心即是要准确解析并计算出滚石的冲击力.国内外学者针对滚石冲击力的计算做出了大量的研究：其中传统的Hertz接触理论及Thornton弹塑性理论被广泛引用[1-2].文献[3]深入分析了物体间在静态接触、滑动、滚动、冲击等作用下的力学响应规律，并给出了相应的计算公式.文献[4]通过采用室内试验的方法，得出了滚石冲击力的半经验半理论算法.文献[5]以室内试验及动量定理为基础，给出了一种滚石冲击力的半理论半经验算法.文献[6]从现场测试的角度出发，获得了滚石冲击力及冲击深度的量纲为1的计算表达式.文献[7]研究了滚石直接冲击混凝土板时的力学响应情况.文献[8]对滚石冲击力进行了研究，并得出了滚石冲击力呈现出脉冲式变化规律的结论.文献[9]同样证明了滚石冲击过程属于一种脉冲式的碰撞过程.文献[10]以理论计算为手段，分别推导出了滚石冲击力的空腔膨胀算法以及能量守恒算法.文献[11]采用实验及动量定理的方法，归纳出了滚石冲击力的计算方法.文献[12]同样在动量定理的基础上总结出了滚石冲击力计算方法.文献[13]研究了滚石冲击荷载下垫层材料的动力响应情况.文献[14]分析了滚石冲击柔性防护网的力学响应规律.文献[15]结合理论算法推导出了滚石冲击防护结构垫层的冲击力.针对滚石冲击力，国内外学者研究成果较多，意义深远.然而目前国内的相关设计规范及其他滚石冲击力的算法，其所得结果多为滚石的平均冲击力，同时日本、瑞士学者所给出的经典算法均是基于试验所得出的半理论半经验算法，且算式中各字母变量的意义尚不十分明确.为此，本文作者首先基于滚石冲击力脉冲式的变化特点，推导出滚石最大冲击力的脉冲式算法；其次再考虑滚石冲击垫层土体的弹塑性特点，得出滚石最大冲击力的弹塑性算法；再次通过采用LS-DYNA软件模拟分析了滚石的冲击力及侵彻深度随时间的变化规律，并归纳出滚动冲击力的LS-DYNA算法.最终将所获得的3种算法与已有算法进行对比分析，以期为滚石防护设计提供参考.1 滚石冲击力的脉冲算法文献[11]提出了一种滚石冲击力的计算方法，定义为关宝树算法，其冲击力P及冲击时间tc的表达式分别为(1)(2)式中：m为滚石的质量；a为滚石冲击加速度；Q为滚石的重量；g为重力加速度；h为垫层材料的厚度；He为滚石的下落高度.从而有滚石冲击过程中的平均冲击力Pa为(3)由于Pa产生的冲量与实际冲击力P(t)产生的总冲量It相等，则有(4)式中：2t0为滚石冲击时间.滚石冲击过程属于一种脉冲式行为，且冲击力随时间基本呈现出近似正弦变化的趋势[8-10,16]，故考虑P(t)近似满足图1中的正弦变化规律.图1 滚石冲击力的变化曲线Fig.1 Variation curve of rockfall impact force则有滚石实际冲击力P(t)与滚石最大冲击力Pmax之间的关系为P(t)=Pmaxsin(ω0t)(5)根据正弦曲线的性质可得(6)式中：T为周期；ω0为角速度.联立式(4)～(6)可得(7)联立式(3)及式(7)，便可求出滚石的最大冲击力Pmax为(8)考虑到滚石在冲击垫层土体后会产生一定的回弹，假定滚石的初始速度为v初，反弹的速度为v弹，v初与v弹的方向相反，则有恢复系数κ为κ=v弹/v初(9)根据动量定理，则有考虑恢复系数影响后，对滚石最大冲击力Pmax进行修正的滚石冲击力P修的表达式为P修t=mv初-(-mv弹)(10)联立式(9)～(10)，可以得出P修t=(1+κ)mv初=(1+κ)Pmaxt(11)从而有P修=(1+κ)Pmax(12)考虑恢复系数κ的影响，联立式(8)及式(12)，则可得出滚石冲击力的脉冲算法的表达式，定义为脉冲算法P修(13)参数κ可参考文献[17]的实验结果进行取值.进而求取滚石侵彻深度的理论计算值.假定v(t)为随冲击时间变化的动态滚石冲击速度，则结合牛顿第二定律有(14)联立式(5)～(6)、(14)，则有(15)对式(15)进行积分后，则有(16)(17)式中：C为常数.此处存在边界条件t=2t0,v=0，则有(18)从而可得出滚石的冲击深度为(19)对式(19)进行积分后，则有(20)联立式(2)、(13)、(20)，可得(21)2 滚石冲击力的弹塑性算法滚石在冲击下部垫层土体后，最先与滚石接触的正下方土体区域将经历：接触-弹性变形-弹性变形的临界状态-塑性变形，而距离滚石较远的区域则一直保持着弹性变形的状态.在冲击行为发生后，滚石与垫层土体之间将会形成球冠接触面，为了对滚石冲击力进行计算，需通过转换为滚石与垫层土体之间的接触面积大小进行考虑并计算，最终形成图2所示的接触面积的区域划分.图2中，滚石与垫层土体之间形成接触半径为fp的塑性区，而弹性接触面积外缘的半径为fr.图2 垫层的弹塑性区域分布Fig. 2Regional distribution of elastoplasticity of cushion滚石球体冲击垫层土体时的弹性接触压力Pe与变形量Se之间的关系式为(22)式中：Ra为等效半径；Ea为等效弹性模量.Ra与Ea计算方式为(23)式中：υ1、υ2分别为滚石、垫层土体的泊松比； E1、E2分别为滚石、垫层土体的弹性模量；R1、R2分别为滚石、垫层土体的半径.滚石冲击垫层土体后会形成一个球冠接触面，其接触面积Ac为Ac=πf2=πR1S(24)式中： f为滚石的接触半径；S为对应于接触半径f下的侵彻深度.从而有f2=R1S(25)土体在弹性变形阶段的极限屈服应力py及对应的接触半径fy之间满足关系式[18](26)py与屈服应力系数λ、材料屈服强度χM之间的关系，以及λ与υ2之间的关系为[19](27)联立式(25)～(27)，便可以求出滚石的弹性极限冲击深度Sel为(28)联立式(22)及式(28)，即可算出滚石的极限弹性冲击力Pel为(29)结合图2可得出相应的力学平衡关系式为(30)式中：fp为土体垫层的塑性区半径.从而弹塑性冲击条件下的力学平衡关系式为(31)式中：fmax为滚石冲击过程中的最大接触半径；fr为弹性接触半径；Pep为弹塑性冲击力.联立式(21)、(25)及式(31)便可得出滚石冲击力的弹塑性算法的表达式，定义为弹塑性算法Pep=Pel+πpyR1(32)3 LS-DYNA动态数值模拟采用LS-DYNA软件模拟滚石冲击垫层土体的动态过程，并选取典型计算工况进行呈现：垫层的材料为砂土，尺寸为5 m(长)×5 m(宽)×1 m(高)，滚石半径为0.5 m，冲击速度为20 m/s.滚石与垫层土体间设置为“面-面接触”，垫层土体中心1.5 m×1.5 m的区域进行了网格加密.垫层土体的下底面设置了3个方向的全约束，滚石的冲击时间设置为0.06 s，计算步设置为200步，此次计算时间约为46 min.材料参数具体见表1.表1 垫层土体材料参数Tab.1 Material parameters of cushion soil土体材料重度/(kN/m3)内摩擦角φ/(°)弹性模量E/MPa泊松比υ屈服强度χM/kPa碎石土20.436290.15239砂土15.228160.20152黏土12.72080.2495滚石25.0—320.12—LS-DYNA的数值计算模型及滚石冲击垫层土体后0.015 s、0.045 s及0.06 s时的Von mises应力云图如图3所示，根据图3中的应力等级色条便可得出土体垫层各部分的应力分布情况，同时也可判别相应的弹塑性区域.图3 LS-DYNA数值模拟结果Fig.3 LS-DYNA numerical simulation results滚石的冲击力随时间的变化曲线如图4所示.由图4可见，在滚石冲击0.004 s后，滚石的冲击力即达到峰值，而在此后的0.004～0.048 s期间，滚石的冲击力在逐步的震荡过程中减小至0，滚石冲击过程完成.图4 冲击力的变化曲线Fig. 4Variation curve of impact force滚石冲击过程中侵彻深度随时间的变化曲线如图5所示.可见在0～0.034 s期间，滚石的侵彻深度将会随着冲击时间的增加而呈现出近抛物线的增加趋势，且在0.034 s时形成最大冲击坑深0.301 m，而在0.034～0.048 s期间，产生了约2.6 cm的回弹，并最终形成了0.275 m的冲击坑深.图5 侵彻深度的变化曲线Fig. 5Variation curve of penetration depth滚石冲击结束后，垫层土体结构中轴线上的各节点的最终位移如图6所示.图6 冲击坑的位移曲线Fig.6 Displacement curve of impact crater可见冲击坑横剖面的左右两侧形状对称，冲击坑中心所形成的最大位移变形为0.275 m，并在坑的周围形成了约8 cm的隆起，垫层土体发生变形的主要区域是坑中心处半径为0.5 m圆的范围.4 计算结果对比分析为对各算法下滚石冲击力的计算结果进行对比分析，选取滚石半径为0.5 m，滚石质量为1 308.25 kg，垫层厚度取为1 m，其余的计算参数见表1及表2，计算工况中的各计算参数参考文献[20-21]进行选取，各种算法的计算表达如下[22].表2 滚石冲击力计算工况表Tab.2 Working condition table for calculating rockfall impact force工况冲击速度/(m/s)下落高度/m冲击能量/J140.8210 466261.8423 548.5383.2741 8644105.1065 412.55127.3594 19461613.06167 45672020.41261 65082429.39376 7761)Hertz算法：(33)2)瑞士算法：(34)3)日本算法：(35)4)隧道手册算法：(36)(37)(38)式中：ME为垫层土体弹性模量；ε为拉梅常数；v0为滚石初始冲击速度；vc为滚石冲击垫层的压缩波速.碎石土、砂土、黏土垫层情况下垫层各算法所得出的滚石冲击力如图7～图9所示.通过对图7～图9进行分析，可得出如下结论：图7 碎石土垫层的“冲击速度-冲击力”曲线Fig.7 “Impact speed - impact force” curves of gravel soil cushion图8 砂土垫层的“冲击速度-冲击力”曲线Fig. 8 “Impact speed - impact force” curves of sandy soil cushion图9 黏土垫层的“冲击速度-冲击力”曲线Fig. 9 “Impact speed - impact force” curves of clay cushion1)Hertz算法所得出的滚石冲击力值无疑是偏大的，这主要是由于该算法是基于完全弹性理论所得出.瑞士算法结果略微偏大，因为该算法考虑了垫层材料的弹性模量的影响，并取弹性模量值的2/3次方作为因子，同时瑞士算法明显满足P碎石土>P砂土>P黏土，而当垫层土体为黏土材料时，瑞士算法冲击力已小于日本算法，由此可见，瑞士算法结果整体较大，同时垫层土体的弹性模量对瑞士算法结果影响较大.2)日本算法所得结果整体较为偏大，且冲击力值整体较为稳定，是因该算法考虑将滚石重力值的2/3次方及下落高度的3/5次方作为滚石冲击力的计算因子，而拉梅常数值一般取为106.3)关宝树算法所得出的计算结果整体偏小，这是由于其算法所得出的冲击力为整个冲击过程中的平均冲击力值，且实验过程中选用的是5 N及8 N的试验锤，或有可能存在一定的局限性，当试验中的滚石质量达到13 082.5 N时，关宝树算法可能会存在一定的偏差，从而导致计算结果偏低.4)隧道手册算法所计算出的冲击力值普遍偏小，是因为在该算法中滚石冲击力时间的计算是通过2倍的垫层厚度与压缩波速之比所得出的，垫层厚度直接影响到冲击时间，故而冲击时间势必存在一定的偏差，最终致使冲击力与实际存在偏差. 5)LS-DYNA数值模拟结果与日本算法、瑞士算法、弹塑性算法及脉冲算法之间的吻合度较好，实现了各算法之间相互验证.脉冲算法整体与日本算法、瑞士算法及数值模拟算法保持一致，但仍略有偏小.弹塑性算法与日本算法、瑞士算法、数值模拟算法及脉冲算法整体一致性较好，从而证明了该算法的可靠性，这或可能是由于该算法充分考虑了滚石冲击过程中垫层土体的弹塑性变化情况，从而得出了较为准确的计算公式.5 滚石冲击力的LS-DYNA算法由于LS-DYNA数值模拟计算结果为滚石的最大冲击力，而隧道手册算法所得出的计算结果为滚石的平均冲击力，且隧道手册算法充分考虑了垫层土体的厚度、弹性模量、密度、泊松比及滚石的重量及下落高度等因素.故而尝试定义将滚石的最大冲击力与平均冲击力之比作为冲击力的放大系数，且给出放大系数的建议值，并通过计算获取碎石土、砂土及黏土垫层的滚石冲击力放大系数ζ与滚石冲击速度v0之间的关系，建立v0-ζ散点图，并进而拟合出相应的滚石冲击力放大系数曲线，具体见图10.图10v0-ζ曲线Fig.10v0-ζ curves对于碎石土、砂土及黏土垫层，其滚石冲击力的放大系数曲线表达式为(39)式中：ζ碎石、ζ砂土、ζ黏土分别为碎石土垫层、砂土垫层、黏土垫层时的冲击力放大系数.鉴于式(39)中3条拟合曲线之间存在较小差异，故在综合考虑滚石冲击过程中的多方因素后，得出最终统一的冲击力放大系数ζe的表达式ζe=0.655+0.241ln(v0+2)(40)联立式(36)～(38)、(40)，并考虑滚石恢复系数的影响，从而得出滚石冲击力为(41)在考虑滚石冲击角度及滚石自重因素的影响后，得出滚石最大冲击力的LS-DYNA 算法的最终表达式，定义为LS-DYNA算法(42)式中：θ为滚石冲击速度与垫层土体表面的夹角；β为滚石重力的方向与垫层表面的夹角.为验证式(42)的准确性，将其计算结果与Hertz算法、日本算法等8种算法的计算结果进行对比，并分别考虑碎石土、砂土及黏土垫层的情况，对比结果如图11～13所示.图11 碎石土垫层的验证结果Fig. 11Verification results of gravel soil cushion 图12 砂土垫层的验证结果Fig.12 Verification results of sandy soil cushion图13 黏土垫层的验证结果Fig. 13Verification results of clay cushion可见LS-DYNA算法结果与日本算法、瑞士算法、数值模拟结果、弹塑性算法及脉冲算法结果具备较好的一致性，脉冲算法及隧道手册算法结果仍略微偏小，而Hertz算法仍明显偏大，而关宝树算法无疑偏小，与之前的对比验证结果保持一致，其较好地验证了式(42)的准确性.在得出滚石最大冲击力值后，此时便可结合文献[12]计算出滚石冲击力作用在防护结构顶板上的压力q，见图14.图14 防护结构顶板上的冲击压力Fig. 14Impact pressure on roof of protective structure由图14可知q为(43)假定滚石冲击力作用于防护结构顶板上部的垫层的面积为滚石球体的等效截面，即落石等效直径为2R1的区域.其中在隧道手册算法中中假定θ为30°，而在路基规范中假定θ为35°，此处由文献[22]可得θ=45°-φ/2(44)式中：φ为垫层土体的内摩擦角.6 结论1)基于关宝树算法以及滚石冲击力的脉冲式变化规律，同时考虑了滚石冲击恢复系数的影响，得出了滚石冲击力以及侵彻深度的脉冲算法.结合滚石冲击过程中垫层土体的弹塑性变化过程，建立了滚石冲击力的力学平衡关系式，并基于侵彻深度与接触半径之间的关系，推导出了滚石冲击力的弹塑性算法.2)通过采用LS-DYNA软件分析研究了滚石冲击垫层土体的微观力学响应机理，得出了滚石冲击力及侵彻深度随冲击时间的变化规律，并给出了最终塑性冲击坑的形状.3)结合具体的滚石冲击计算工况，对各算法进行了对比分析.研究结果表明：完全弹性的Hertz算法结果明显偏大，日本算法、瑞士算法、数值模拟算法、脉冲算法、弹塑性算法结果吻合性较好，但相互之间存在少量差异，脉冲算法及隧道手册算法略微偏小，关宝树算法则明显偏小.4)以数值模拟结果及隧道手册算法为基础，建立了 v0- ζ之间的拟合曲线，并在考虑κ、θ、滚石自重影响的基础上，得出了滚石最大冲击力的LS-DYNA算法，最终结合8种算法结果对LS-DYNA算法的适用性进行了验证.参考文献【相关文献】[1] THORNTON C. Coefficient of restitution for collinear collisions of elastic-perfectly plastic spheres[J]. Journal of Applied Mechanics, 1997, 64(2): 383-386.[2] THORNTON C, NING Z M. A theoretical model for the stick/bounce behaviour of adhesive, elastic-plastic spheres[J]. Powder Technology, 1998, 99(2): 154-162.[3] JOHNSON H L. Contact mechanics [M].Cambridge:Cambridge University Press, 1985.[4] KAWAHARA S, MURO T. Effects of dry density and thickness of sandy soil on impact response due to rockfall[J]. Journal of Terramechanics, 2006, 43(3): 329-340.[5] LABIOUSE V, DESCOEUDRES F, MONTANI S. Experimental study of rock sheds impacted by rock blocks[J]. Structural Engineering International, 1996, 6(3): 171-176. [6] PICHLER B, HELLMICH C, MANG H A. Impact of rocks onto gravel design and evaluation of experiments[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31(5): 559-578.[7] MOUGIN J P, PERROTIN P, MOMMESSIN M, et al. Rock fall impact on reinforced concrete slab: an experimental approach[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31(2): 169-183.[8] YU B, YI W, ZHAO H B. Experimental study on the maximum impact force by rock fall[J].Landslides, 2018, 15(2): 233-242.[9] AZZONI A, BARBERA G L, ZANINETTI A. Analysis and prediction of rockfalls using a mathematical model[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1995, 32(7): 709-724.[10] WANG X, XIA Y X, ZHOU T Y. Theoretical analysis of rockfall impacts on the soil cushion layer of protective structures[J]. Advances in Civil Engineering, 2018(2): 1-18. [11] 杨其新, 关宝树. 落石冲击力计算方法的试验研究[J]. 铁道学报, 1996, 18(1): 101-106. YANG Qixin, GUAN Baoshu. Test and research on calculating method of falling stone impulsive force[J]. Journal of the China Railway Society, 1996, 18(1): 101-106.(in Chinese) [12] 廖朝华, 郭小红. 公路隧道设计手册[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.LIAO Chaohua, GUO Xiaohong. Manual for design of highway tunnel[M]. Beijing: China Communications Press, 2012.(in Chinese)[13] 向波, 何思明, 庄卫林, 等. 滚石冲击荷载下垫层材料的动力响应研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(1): 45-49, 56.XIANG Bo, HE Siming, ZHUANG Weilin, et al. Research on dynamic response of cushion under rockfall impact[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015, 32(1): 45-49, 56.(in Chinese)[14] 周晓宇, 陈艾荣, 马如进. 滚石柔性防护网耗能规律数值模拟[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2012, 32(6): 59-66.ZHOU Xiaoyu, CHEN Airong, MA Rujin. Numerical simulation of energy dissipation mechanism on falling rocks protection nets[J]. Journal of Chang’an University(Natural Science Edition), 2012, 32(6): 59-66.(in Chinese)[15] 王永东, 周天跃, 柴伦磊, 等. 基于能量分析的落石对棚洞垫层冲击力学研究[J]. 地下空间与工程学报, 2018, 14(增1): 148-153.WANG Yongdong, ZHOU Tianyue, CHAI Lunlei, et al. Impact mechanics of rock-fall to shed cushion based on energy analysis[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(S1): 148-153.(in Chinese)[16] 何思明, 沈均, 罗渝, 等. 滚石坡面法向冲击动力响应特性研究[J]. 工程力学, 2011, 28(6): 118-124.HE Siming, SHEN Jun, LUO Yu,et al. Study on the characteristics of normal impact of post-earthquake rock-fall on slope[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(6): 118-124.(in Chinese) [17] 袁进科, 黄润秋, 裴向军. 滚石冲击力测试研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(1): 48-54.YUAN Jinke, HUANG Runqiu, PEI Xiangjun. Tes tresearch on rockfall impact force[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1): 48-54.(in Chinese)[18] 刘茂. 基于弹塑性修正Hertz接触理论的落石冲击力计算方法[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2012, 23(3): 21-27.LIU Mao. Calculation of impact force of falling rock based on elastoplastic modified Hertzcontact theory[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2012, 23(3): 21-27.(in Chinese)[19] BRIZMER V, KLIGERMAN Y, ETSION I. The effect of contact conditions and material properties on the elasticity terminus of a spherical contact[J]. International Journal of Solids and Structures, 2006, 43(18/19): 5736-5749.[20] 叶四桥, 陈洪凯, 唐红梅. 落石冲击力计算方法[J]. 中国铁道科学, 2010, 31(6): 56-62.YE Siqiao, CHEN Hongkai, TANG Hongmei. The calculation method for the impact force of the rockfall[J]. China Railway Science, 2010, 31(6): 56-62.(in Chinese)[21] 叶四桥. 隧道洞口段落石灾害研究与防治[D]. 成都: 西南交通大学, 2008.YE Siqiao. Research and mitigation of rockfall hazards at tunnel entrance and exit[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.(in Chinese)[22] 叶四桥, 陈洪凯, 唐红梅. 落石冲击力计算方法的比较研究[J]. 水文地质工程地质, 2010, 37(2): 59-64.YE Siqiao, CHEN Hongkai, TANG Hongmei. Comparative research on impact force calculation methods for rockfalls[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2010, 37(2): 59-64.(in Chinese)。

射孔弹侵彻岩层及能量转化效率研究

射孔弹侵彻岩层及能量转化效率研究
陈星见;柳军;罗杰;李强;周鑫钟;兰少坤
【期刊名称】《爆破器材》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】为研究射孔弹侵彻岩层的过程及爆炸后能量的分布情况,基于对称罚函数的流固耦合算法及岩层的RHT(Redel-Hiermaier-Thoma)本构模型,借助显式非线性动力学分析程序LS-DYNA,建立了1/2二维射孔弹-空气-岩层对称数值模拟模型,系统地分析了射孔弹在不同的装药类型、药型罩壁厚及锥角下射流侵彻岩层的深度及能量转化情况。

研究结果表明:射孔弹主装炸药的爆速和猛度对射流侵彻岩层深度的影响显著;射孔弹炸药的爆速和猛度越高,射流的头部峰值速度越高,侵彻岩层深度越大;射孔弹主装炸药为RDX时,射流的有效能量转化率最大,其次分别为HNS、HMX。

药型罩壁厚在0.6~1.5 mm范围内,适当减小厚度,可以提升射流的头部速度及岩层的穿深;但与此同时,射流的有效能量占比将降低,爆轰能量将增大。

锥角在55°~70°范围内,适当减小锥角,射流的有效能量转化率及侵彻岩层的深度将增大,爆轰能量转化率将减小。

【总页数】10页(P48-57)
【作者】陈星见;柳军;罗杰;李强;周鑫钟;兰少坤
【作者单位】西南石油大学机电工程学院;成都大学机械工程学院;中国石油吉林油田公司扶余采油厂
【正文语种】中文
【中图分类】TE921
【相关文献】
1.聚能射孔弹侵彻性能评价方法
2.装药参数对矩形射孔弹侵彻性能的影响机理
3.基于LS-DYNA的射孔弹侵彻煤层可行性探究
4.聚能射孔弹侵彻应力砂岩穿深预测
5.一种平面射孔技术用射孔弹侵彻性能研究
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２数值模拟方法
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假设弹体垂直侵彻无限大目标靶板，考虑到结构的对称性，将弹体和靶板都取１／４建模，采用３ＤＳｏｌｉｄ１６４单元，靶板边界条件设为非反射边界１２１３］，建模时弹头分别选取平头、锥头和圆头，三个模型的长度、径均相同，如图１所示。模拟仿真时采用拉格朗日算法，接触类型采用ＳｕｒｆａｓｅｔｏＳｕｆ和Ｅｒｒｏｄｉｎｇ（ＥＳＴＳ），即侵彻接触。弹体材料选取４３４０钢，采用Ｊｏｈｎ — ｓｏｎ — Ｃｏｏｋ模型及Ｇｒｕｎｅｓｉｅｎ状态方程，靶体采用Ｓｏｉｌ＿Ａｎｄ — Ｆｏａｍ模型Ｈ，材料参数详见表１和表２，采用ｇ—ｃｍ一单位制。本构关系
１概述
卜
人们对侵彻问题的研究由来已久，在这方面应用最广泛的当属钢筋混凝土结构，围绕这方面的研究也非常多。然而对于土壤的侵彻研究却很少，一方面原因是应用的场合比较少，另外一方面是因为侵彻过程是一个高速、高温、高压、高应变率并且伴随大变形的过程，采用合适的本构模型来模拟被侵彻物非常重要，但是土壤的性状又非常复杂，历史上虽然提出了很多描述土壤性状的著名模型［１ｌ，但是到目前尚无完备的模型。本文选取了一种描述土壤性状的模型Ｓｏｉｌ＿Ａｎｄ — Ｆｏａｍ，利用通用有限元分析软件ＬＳ — ＤＹＮＡ，对三种不同头部形状的弹体垂直侵彻泡沫土壤过程进行研究，在验证该模型的同时，希望找出土壤侵彻的一点规律。
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基于ＬＳ — ＤＹＮＡ的土壤侵彻过程研究
徐策
（中航通飞研究院有限公司，广东珠海５１９０４０）摘要：本文通过ＬＳ — ＤＹＮＡ非线性动力学分析软件对三种不同头部形状的弹体垂直侵彻土壤的过程进行了数值仿真，在初速度为５００ｍ／ｓ时获取了弹体侵彻靶板的深度、速度、加速度及能量变化曲线，仿真结果表明：三种不同头部形状的弹性弹体在５００ｍ／ｓ的初速度下侵彻泡沫土壤的深度差别不大，平头弹体的速度损失最快，剩余速度最小，动能的损失最多。关键词：侵彻；能量；数值仿真
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图３弹体位移随时间变化
图４弹体速度随时间变化
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为熔点温度。靶体材料选择Ｓｏｉｌ＿Ａｎｄ — Ｆｏａｍ，压力和体积应变曲线如图２所示。
３数值仿真结果及分析
仿真时弹体初速度设为５００ｍ／ｓ，图３～７分别是垂直侵彻方向弹体的位移、速度、加速度、动能以及内能随时间的变化，在图中将平头、圆头、锥头三种不同弹体以拼音首字母分Ｔｉｍｅ“ ）别简记为ＰＴ、ＹＴ和ＺＴ。Ｔｉｍｅ（）从图３可以看出，锥头弹体与圆头弹体图５弹体加速度随时间变化图６弹体动能随时间变化的侵彻深度几乎相同，平头弹体的侵彻深度略小，但与前两者的差别很小；并且三种弹体到的阻力最大；之后迅速衰减，但在整个侵彻过程中始终大于圆头的侵彻深度与时间几乎成线性关系，这与将弹体近似为刚体的计算弹体，０ — １５ｓ内圆头弹体的加速度大于锥头弹体，但在ｌ５ｓ之结果相差很大阁。从图４可以看出，平头弹体的速度衰减的最快，到后，锥头弹体的加速度又超过了圆头弹体。从图６可以看出，侵彻开
为Ｊｏｈｎｓｏｎ — Ｃｏｏｋ方程：＝［Ａ＋Ｂｇｐ】０＋ｃｌ１ｌ）ｏ — ｒ）式中：为材料屈服极限；Ａ，Ｂ，Ｃ，ｎ，ｍ为材
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