不同弹体对高压气瓶的撞击性能分析

岳应娟，刘 备，秦忠宝，陈 飞

(第二炮兵工程大学理学院，陕西 西安，710025)

不同弹体对高压气瓶的撞击性能分析

岳应娟，刘 备，秦忠宝，陈 飞

(第二炮兵工程大学理学院，陕西 西安，710025)

运用ANSYS/LS-DYNA软件对弹体撞击高压气瓶的过程进行数值模拟，得到弹头形状、子弹质量和接触面积不同时子弹穿透高压气瓶的临界速度和临界动能，分析了不同因素对子弹撞击性能的影响。结果表明，弹头形状对穿透动能的影响不大；在接触面积相同的情况下，随着子弹质量的增加，其穿透瓶体的速度逐渐降低，而所需的穿透动能逐渐增大；子弹与瓶体接触面积越大，需要的穿透动能越大。

高压气瓶；子弹；撞击；数值模拟；LS-DYNA

压力容器是具有爆炸性危险的特种设备，其安全问题已日益为人们所关注。高压柱形气瓶在现役装备中使用广泛，已成为武器系统不可或缺的核心部件，其在各种极限条件下的安全性成为决策者不得不考虑的问题。当气瓶周围有物体发生爆炸时，产生的弹片、超声波、碎石等极易与瓶体发生碰撞引起瓶体破坏，严重时可能使整个装备系统瘫痪。爆炸中危害性最大的是弹片，其可以简化为形状、大小不一的弹体模型。本文以钢制无缝高压气瓶为研究对象，拟采用有限元方法分析各种弹体对瓶体的破坏作用，以期为决策者进行高压气瓶的安全性评估提供参考。

1 弹体侵彻瓶体的有限元建模

1.1 物理参数

本文对不同弹体侵彻瓶体的过程进行有限元分析，瓶体材料为35CrMo，弹体材料为普通钢材，材料性能参数如表1所示。

瓶体为圆柱形对称结构，其结构参数如表2所示。撞击部位选取瓶体中间。

1.2 材料模型

高速碰撞是冲击动力学的一个典型问题，撞击过程具有速度快、变形大、加载速率高等特点，在材料内部出现明显的绝热升温效应和应变率效应[1-2]。对于这类问题的仿真模拟，材料模型选取合理十分重要。ANSYS/LS-DYNA软件中自带的Johnson-Cook材料模型考虑了应变率强化引起的升温软化效应，结合Gruneisen状态方程可以准确地描述侵彻过程中金属材料的各种特性[3]。故本文中子弹和瓶体都选用Johnson-Cook材料模型，在撞击过程中其流动应力如下：

(1)

(1+D5T*)

(2)

式中：D1～D5均为材料常数；σ*为平均等效应力。

1.3 子弹模型

由于撞击瓶体的碎片大小不一，故设定子弹具有不同的大小和形状，并以不同的速度撞击瓶体。子弹直径为2～4 cm，子弹高度为1～4 cm，弹头形状分为平头、球头、锥头3种，如图1所示。

1.4 有限元模型

气瓶主体材料为35CrMo，根据材料特性和结构特点，在撞击侵彻研究中宜采用六面体实体单元SOLID164[4]，该单元具有8个节点，每个节点具有9个自由度，运用Lagrange列式。对于子弹和瓶体的接触部位采用较密的网格划分，与之较远的部位采用较疏的网格划分。子弹与瓶体的接触类型选用侵蚀接触：*CONTACT_EROODING_SURFACE_TO_SURFACE。最终建立的模型中，瓶体为54 750个单元，子弹为1216个单元。由于是对称结构，取1/4有限元模型如图2所示。

2 仿真结果与分析

2.1 等效应力分布

子弹侵彻瓶体过程中的等效应力分布如图3所示。由图3可见，最大应力出现在弹体与瓶体接触部位，等效应力呈环状分布，向四周扩散并逐渐减小。

图3 等效应力分布

Fig.3 Equivalent stress distribution

2.2 弹头形状对撞击性能的影响

通过LS-DYNA求解，得到直径为2 cm、具有不同形状弹头的子弹穿透钢瓶的临界速度和临界动能，如表3所示。由表3可见，在弹体直径相同，即撞击接触面积相同的情况下，子弹的穿透动能基本相同。因此，弹头形状对子弹穿透动能的影响不大。

表3 不同形状弹头的穿透速度及穿透动能

Table 3 Penetrating speed and energy of bullets with different bullet shapes

为了研究不同形状的弹头对瓶体的破坏机理，选取撞击部位内外表面节点各一个(节点1和节点19201)，得到不同形状弹头撞击时的节点等效应力-时间历程曲线，如图4所示。

从图4可以看出，平头子弹撞击瓶体时，瓶体内表面单元首先失效，即内表面先被破坏；而球头子弹和锥头子弹撞击瓶体时，瓶体外表面单元首先失效。这是因为，在撞击过程中，平头子弹接触面积较大，应力分布均匀，瓶体发生形变，向下凹陷，内表面产生较大的应变，首先达到失效应变；而对于球头子弹和锥头子弹，由于弹头形状的原因，使得接触部位应变最大，首先达到失效应变。

Fig.4 Stress-time curves of the nodes by bullets with different bullet shapes

2.3 子弹质量对撞击性能的影响

选用直径为2 cm、高度依次为1～4 cm的圆柱形子弹进行瓶体撞击仿真试验，得到子弹的穿透速度和穿透动能，如表4所示。

表4 不同质量子弹的穿透速度和穿透动能

Table 4 Penetrating speed and energy of bullets with different qualities

由表4可见，随着子弹质量的增加，其穿透速度逐渐减小，但穿透动能逐渐增大。这是因为，高速撞击时，能量主要用来破坏接触部位，随着速度的降低，周围部位形变吸收的能量会越来越多，即随着子弹质量的增加，更多的能量用于瓶体形变。

2.4 接触面积对撞击性能的影响

实际工况下撞击瓶体的弹体形状是不规则的，撞击部位的面积也是不同的。采用质量相同而直径不同的子弹可以反映接触面积对子弹击穿瓶体效果的影响。

表5所示为质量相同、直径分别为2～4 cm的圆柱形子弹穿透高压气瓶的临界速度和临界动能。由表5可见，随着子弹直径(接触面积)的增大，子弹穿透瓶体的临界速度逐渐变大，穿透动能随之增加。这是因为，随着撞击面积的增大，瓶体形变增加，由瓶体形变吸收的能量也随之增加。

表5 相同质量不同直径子弹的穿透速度和穿透能量

Table 5 Penetrating speed and energy of bullets with same qualities and different diameters

3 结论

(1)弹头形状对子弹穿透瓶体的临界速度和临界动能影响不大。

(2)在接触面积相同的情况下，随着子弹质量的增加，其穿透瓶体的速度逐渐降低，而所需的穿透动能逐渐增大。

(3)在子弹质量相同的情况下，随着子弹与瓶体接触面积的增大，其穿透速度逐渐增大，穿透动能也相应增大。

[1] 马晓青. 冲击动力学[M]. 北京：北京理工大学出版社，1992.

[2] 宁建国，王成，马天宝. 爆炸与冲击动力学[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[3] 张小坡，石全，王广彦. 基于LS-DYNA的圆柱形破片侵彻靶板有限元分析[J]. 科学技术与工程，2007，7(23)：6004-6009.

[4] 谷长春，石明全. 基于LS-DYNA的高速碰撞过程的数值模拟[J]. 系统仿真学报，2009，21(15)：4621-4624.

[责任编辑 尚 晶]

Impact characteristics of different projectiles on the high-pressure gas cylinder

YueYingjuan,LiuBei,QinZhongbao,ChenFei

(College of Science，the Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025，China)

The process of shrapnel impacting the high-pressure gas cylinder was simulated using the ANSYS/LS-DYNA. The critical velocity and kinetic energy of bullets penetrating through the high-pressure gas cylinder at different nose shapes, projectile masses and contact areas were obtained. The factors influencing bullet impacting characteristics were analyzed. Results show that the nose shape of bullet does not greatly affect the penetrating kinetic energy; as the bullet mass increases, the penetrating velocity gradually decreases and the needed penetrating kinetic energy gradually increases at the same contact area for the gas cylinder; the larger the bullet contacts with the gas cylinder, the greater the needed penetrating kinetic energy.

high-pressure gas cylinder；bullet；impact；numerical simulation；LS-DYNA

2014-08-23

岳应娟(1971-)，女，第二炮兵工程大学教授，博士.E-mail：yueyingjuan@163.com

O347.3

A

1674-3644(2015)01-0050-04