弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟

弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟
汤俊;葛建立;闫彬;杨国来;李振
【摘要】To analyze the acceleration responses of projectiles under various projectile structures or closed-cell foam aluminum material parameters , a nonlinear dynamics finite element model of a projectile impacting closed-cell foam aluminum is established .The waveform of a projectile impacting closed-cell foam aluminum is simulated by LS-DYNA software .The influences of different parameters on impulse response are researched by a numerical method .The trend ,peak value and pulse width of the acceleration curves under different conditions are studied respectively .The results show that a smooth acceleration waveform can be obtained by using conical projectiles .The peak acceleration increases and the pulse width reduces under such conditions as lower porosity , thinner target and smaller mass of the projectile .High initial speed of the projectile can increase the peak value and the pulse width of the acceleration .%为分析弹丸结构参数及闭孔泡沫铝材料参数对冲击加速度响应的影响，建立了弹丸侵彻闭孔泡沫铝试验装置的动态非线性有限元模型。

利用LS-DYNA软件模拟了弹丸冲击侵彻闭孔泡沫铝的波形发生过程。

通过数值计算研究参数对冲击响应的影响，特别是对冲击过程中弹丸加速度峰值、脉宽及加速度波形的影响。

研究发现，使用锥形头弹丸可获得较为平整的加速度波形；降低泡沫铝孔隙率、减小厚度、减小弹丸质量均会引起弹丸冲击加速度峰值的增大与冲击脉宽的减小；增大弹丸初速可提高冲击加速度峰值与脉宽。

【期刊名称】《南京理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(040)003
【总页数】6页(P328-333)
【关键词】弹丸;闭孔泡沫铝;冲击波形;动态非线性有限元模型;峰值;脉宽;孔隙率;弹丸质量
【作者】汤俊;葛建立;闫彬;杨国来;李振
【作者单位】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;西北机电工程研究所，陕西咸阳712099;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】O39
在航空专业中,需要针对各类飞行数据记录器符合实际工况的强冲击波形发生方法进行研究。

在飞机坠毁时,其飞行参数记录仪撞击地面,黑匣子在宽脉冲、强冲击的参数作用下,如果防护措施设计不合理,就会造成内部存储电路的损坏,造成飞行过程数据丢失,也就失去了事故分析的依据。

国外炮射弹载飞行记录仪试验设备的宽脉冲、强冲击参数校准技术较先进,各级别校准装置的配置齐全,除一般的小能量校准装置外,还可提供强冲击、宽脉冲的冲击环境。

目前美国、英国在这方面已有6.5 ms、34 000 m/s2的强冲击试验设备及相应的校准装置,主要用于飞行数据记录仪的强冲击试验。

国际标准[1]对飞行数据记录仪最低工作性能规范是这样描述的:让坠毁防护存贮器模块组件承受强冲击载荷,强冲击的持续时间应不小于6.5 ms,冲击
加速度峰值应不小于3 400g,冲击波形应接近于标准半正弦波。

因此,在针对缓冲材料和炮射试验设备的设计中,加速度峰值与冲击脉冲宽度是冲击问题中非常重要的指标。

泡沫金属是1种在铝或铝合金基体中分布着大量连通或不连通孔洞的轻质多功能材料,它兼有金属材料和泡沫材料的特点,在国民生产建设和国防高科技等领域有着广泛的应用前景,已成为当今世界材料科学研究的重要内容之一[2]。

姜夕博等人[3]通过显示有限元程序AUTODYN模拟了冲击波在有机玻璃中的衰减过程,可清晰观察冲击波的传播过程;陈成军等人[4]采用有限元法对内部填充泡沫铝的圆柱壳结构在轴向载荷作用下的静、动态力学响应进行了数值模拟。

范志庚等人[5]建立了泡沫铝的三维随机球形泡孔模型,并通过有限元法研究了孔隙率及应变率对泡沫铝动态冲击过程的影响;向宇等人[6]采用离散层状模型模拟了梯度泡沫铝的撞击过程,研究了不同密度组合、撞击速度与加速度时程曲线之间的关系;Gaitanaros等人[7]使用Surface Evolver软件模拟泡沫铝的微观结构,并用LS-DYNA软件分析了泡沫铝的准静态及动态压缩过程。

本文建立了弹丸冲击闭孔泡沫铝试验装置的有限元模型,通过数值模拟方法分析弹丸与闭孔泡沫铝的结构和材料参数对冲击加速度响应的影响,为今后进一步研究强冲击、宽脉冲波形提供了参考。

1.1 平头弹丸冲击闭孔泡沫铝的有限元模型
弹丸为直径110 mm、长200 mm的圆柱体,弹丸尾部的空心结构用于调整弹丸质量。

以10层叠放的闭孔泡沫铝板为冲击过程中的缓冲材料,每层闭孔泡沫铝板为200 mm×200 mm×20 mm的方块,将其固定在刚性挡板前,闭孔泡沫铝靶板的4个边角由挡板的支架支撑,如图1所示。

由于该撞击模型的对称性,采用总体模型的1/4进行计算,并在对称面上添加位移和转角的对称约束以节省计算时间,降低计算成本。

靶室采用刚性墙设置,弹丸及闭孔泡沫铝模型采用单点积分六面体单元,单元
平均尺寸为3 mm,共约3.4万单元。

程序计算终止时间为0.005 s,时间缩放系数为0.7。

LS-DYNA在处理接触、碰撞问题时,有3种不同的算法:动态约束法、分布参数法
及罚函数法。

其中罚函数法因其对称性、动量守恒准确、很少引起沙漏效应而被广泛应用。

因此,在弹丸撞击闭孔泡沫铝靶板的过程中采用罚函数法处理其中的复杂
接触关系。

本文在仿真过程中,弹丸与闭孔泡沫铝靶板使用侵蚀接触
(*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE),不同的闭孔泡沫铝样板之间及闭孔泡沫铝板与靶室的接触使用自动接触
(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)。

为避免在冲击过程中出
现沙漏问题,在闭孔泡沫铝内部建立了自接触(*CONTACT_INTERIOR)。

1.2 材料模型及参数
闭孔泡沫铝材料既具有金属材料的性质,又包含泡沫材料的一些特性。

单纯的金属
材料或者泡沫材料的本构关系难以全面准确地描述泡沫金属的材料性能,本文采用LS-DYNA软件材料库中的MAT63号材料可压缩泡沫模型
(MAT_CRUSHABLE_FOAM)模拟闭孔泡沫铝的冲击过程,该模型用于可设置阻尼和拉伸应力截止值的冲击泡沫建模,还可以考虑应变率效应。

为研究弹丸冲击层状闭孔泡沫铝的过程,首先对泡沫金属的动态力学性质进行分析。

图2为泡沫金属典型的压缩应力应变曲线[8]。

该曲线具有多孔泡沫材料明显的3
阶段特征:第1部分为弹性阶段,由胞壁的弯曲、胞面的拉伸及胞元内气体的压缩引起,其斜率对应于材料的弹性模量;第2部分为塑性屈服阶段,该阶段较长的平台对应于胞元的塑性坍塌;第3部分为密实阶段,当大多数胞壁被压缩在一起后就进入了第
3阶段,应力随着应变的增大而迅速增加。

Buzek等人[9]认为泡沫材料的力学性能遵循1个幂法则A(ρ)=A0ρn,其中:A是泡
沫材料的性能,ρ是泡沫材料的相对密度,A0是反映泡沫基体材料性能的因子,n是
指数。

在动态载荷下取A0=0.307,n=0.945。

当闭孔泡沫铝孔隙率P=1-ρ为定值时,闭孔泡沫铝的力学性能与基体铝的性能成比例关系。

因此,可得到闭孔泡沫铝弹性模型与相对密度的关系
式中:E*和E0=6.894 8×104MPa,分别为闭孔泡沫铝与基体铝的弹性模量,ρ*和
ρ0=2.685×102kg/m3分别为闭孔泡沫铝与基体铝的密度。

可得不同孔隙率下的闭孔泡沫铝弹性模量,如表1所示。

由于弹丸在撞击过程中的变形可以忽略不计,采用刚体模型分析其冲击过程,弹丸密度ρ=7.71×103kg/m3,质量m=3.1 kg。

为研究弹丸及闭孔泡沫铝参数对冲击过程的影响,首先选取孔隙率为80%的闭孔泡沫铝材料作为基准模型进行冲击过程的分析研究,响应为加速度时程曲线。

图3为闭孔泡沫铝靶板冲击之后的变形图。

在侵彻过程中,与弹头接触部位的闭孔泡沫铝被压缩,首先产生短暂的弹性变形;随着弹头的压进,发生塑性变形并不断扩大,随后产生断裂。

断裂发生在弹头周边,应力状态主要是剪切和拉伸,最终闭孔泡沫铝被逐渐压实,形成致密材料。

图4为弹丸冲击闭孔泡沫铝靶板的加速度时程仿真曲线,孔隙率为80%。

在冲击波作用下,当闭孔泡沫铝中的应力小于平台应力时,闭孔泡沫铝中主要存在弹性波;当闭孔泡沫铝中的应力达到平台应力时,闭孔泡沫铝中出现塑性波。

闭孔泡沫铝中的弹塑性波在多层闭孔泡沫铝靶板中发生多次反射与透射,反射与透射波的相互作用使得弹丸的加速度时程曲线非常复杂,表现在波形的振荡上。

此外,在弹丸撞击闭孔泡沫铝的开始阶段,弹丸材料仅发生弹性变形,材料的较小变形引起了较大的应力提升,导致加速度在0.366 ms的较短时间内增大至第1个峰值;之后材料发生塑性屈服,加速度有所降低;随着闭孔泡沫铝的部分或整体致密化,闭孔泡沫铝材料的力学性能增强,对弹丸的阻力增大,加速度又开始增大到第2个峰值,最大加速度达到了2 716.888 g,在3.21 ms时冲击过程停止。

为研究不同孔隙率对闭孔泡沫铝冲击过程的影响,在基准模型基础上改变闭孔泡沫
铝的孔隙率,分别为65%、70%、75%、80%、85%。

图5为孔隙率对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响曲线,图5(a)为不同孔隙率闭孔泡沫铝的弹丸冲击加速度曲线,图
5(b)为孔隙率对加速度峰值和脉宽的影响。

由图5可以看出,弹丸的冲击加速度峰值随着孔隙率的提高而减小,冲击脉宽随着孔隙率的增大而增大。

分析认为,随着闭孔泡沫铝孔隙率的增大,闭孔泡沫铝的相对密度减小,单位面积闭孔泡沫铝材料上基体材料所占比例减小,闭孔泡沫铝材料的力学性能降低,其对弹丸的初始动态阻抗开始降低,导致了弹丸的初始加速度峰值逐渐降低并与闭孔泡沫铝致密化后的加速度第2峰值的差距开始增大,同时弹丸冲击时间即脉宽逐渐增大。

为研究不同靶板厚度对闭孔泡沫铝冲击结果的影响,在基准模型基础上改变靶板厚度,分别为200 mm、260 mm、320 mm、380 mm、440 mm,分析靶板厚度对弹丸冲击加速度的影响。

图6为靶板厚度对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响曲线,其中图6(a)为不同闭孔泡沫铝靶板厚度的弹丸冲击加速度曲线,图6(b)为靶板厚度对加速度峰值和脉宽的影响。

由图6可以看出当闭孔泡沫铝靶板厚度增加时,弹丸的冲击加速度峰值降低、冲击脉宽增大。

分析认为,当闭孔泡沫铝靶板厚度增加时,闭孔泡沫铝的弹性压缩过程随之增长,这引起了冲击加速度第1峰值的滞后,同时闭孔泡沫铝通过塑性变形吸收的能量减小,因此随着靶板厚度的增加,加速度峰值逐渐降低,冲击脉宽逐渐增加。

为研究弹丸参数对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响,在基准模型基础上分别改变弹丸速度、弹丸形状及弹丸质量,研究弹丸参数对冲击层状闭孔泡沫铝的影响。

其中,改变弹丸速度为63～103 m/s,以10 m/s为间隔选取5组速度进行研究;选取弹丸形状分别为平头弹、锥形弹、半球形弹进行研究;在2.674～3.568 kg范围内选取5组弹丸质量供研究。

为研究不同弹丸速度对闭孔泡沫铝冲击过程的影响,在基准模型基础上改变弹丸速度进行仿真计算并得出结果,图7即为弹丸速度对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响曲线,
其中图7(a)为不同弹丸速度的弹丸冲击加速度曲线,图7(b)为弹丸速度对加速度峰值和脉宽的影响。

图7所示为弹丸冲击速度分别为63 m/s、73 m/s、83 m/s、93 m/s、103 m/s时的加速度时程曲线。

与加速度第1峰值相比,弹丸冲击速度对第2峰值的影响更为明显。

图7(b)揭示了弹丸速度对加速度峰值和脉宽的影响,弹丸速度增大,冲击加速度的峰值和脉宽同时增大。

分析认为,在弹丸速度增大时,冲击能量越大,闭孔泡沫铝的动态阻抗越高,导致了冲击加速度的峰值和脉宽同时增大。

为研究不同弹头形状对闭孔泡沫铝冲击过程的影响,在基准模型基础上分别改变弹头形状为半球形与45°锥形进行计算,图8即为弹头形状对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响曲线,其中图8(a)为不同弹头形状的弹丸冲击加速度曲线,图8(b)为弹头形状对加速度峰值和脉宽的影响。

由图8(a)可以看出,45°锥形头弹及半球形头弹在侵彻闭孔泡沫铝的过程中并未出现明显的“M”波现象,其中45°锥形头弹的加速度时程曲线更为光滑平整、与半正弦波相近,计算结果表明弹头形状对加速度时程曲线的形状影响较大。

图8(b)表明了弹头形状对加速度峰值和脉宽的影响,与平头弹相比,45°锥形头弹及半球形头弹更易侵彻闭孔泡沫铝靶板,具体表现为加速度峰值的降低与脉宽的增大。

为研究不同弹丸质量对闭孔泡沫铝冲击过程的影响,在基准模型基础上改变弹丸质量进行仿真计算并得出结果,图9为弹丸质量对闭孔泡沫铝缓冲性能的影响曲线,其中图9(a)为不同弹丸质量的弹丸冲击加速度曲线,图9(b)为弹丸质量对加速度峰值和脉宽的影响。

图9(a)为弹丸质量分别为2.674 kg、2.898 kg、3.100 kg、
3.345 kg、3.568 kg时弹丸冲击闭孔泡沫铝的加速度时程曲线图。

由图9(b)可知,弹丸质量增加时,弹丸的冲击加速度峰值随着弹丸质量的增加而减小,冲击脉冲宽度随着弹丸质量的增加而增大。

分析认为,弹丸质量增大时,冲击能量增大,由a=F阻/M可知,在闭孔泡沫铝法向阻抗力一定的条件下,弹丸质量增大,冲击加速度减小且冲击脉宽随之增加。

本文对弹丸侵彻层状闭孔泡沫铝的动力学模型进行了建模与分析,研究了闭孔泡沫
铝孔隙率、靶板厚度、弹丸速度、弹头形状及弹丸质量对弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形的影响。

取得了以下主要结论:
(1)弹头形状对弹丸冲击闭孔泡沫铝的加速度时程曲线的波形影响较大,其中平头弹在侵彻过程中会出现明显的“M”波现象,45°锥形头弹的冲击波形较为平滑,与半
正弦波最为相近。

(2)闭孔泡沫铝孔隙率、靶板厚度、弹丸速度及弹丸质量对冲击加速度的峰值和脉
宽均有较大影响,其中孔隙率的提高、靶板厚度的增加及弹丸质量的增大均会导致
加速度峰值的减小与脉宽的增大,而弹丸速度的增大可同时增大加速度峰值与脉宽。

因此,可通过调整弹丸结构参数与闭孔泡沫铝材料参数获得不同产品的冲击试验加
速度波形。

后续研究将采用形状优化及材料模型参数标定的方法,考虑各个因素之间的交互作用,设计与标准冲击试验一致的弹丸加速度波形。

【相关文献】
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