均质靶板和加筋靶板抗弹性能的数值模拟研究

张　宁

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



均质靶板和加筋靶板抗弹性能的数值模拟研究

张宁

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

摘要：以舰船结构为目标，运用ANSYS/LS-DYNA，用截卵形弹丸对均质靶板和加筋靶板侵彻进行数值模拟研究，分析靶板的破坏情况、弹丸的剩余速度、弹丸的变形情况以及弹道的偏转，结果表明数值模拟是可行的，并建立卵形弹丸模型采用上述的J-C模型对与上述同样的均质靶板和加筋靶板进行穿甲进行数值模拟，研究靶板的破坏情况、弹丸的剩余速度、弹丸变形以及弹道偏转情况，并运用理论计算公式计算弹丸的剩余速度与之相比较，证明卵形弹丸的数值模拟是正确的。

关键词：数值模拟；加筋靶板；截卵形弹丸；卵形弹丸

Citation format:ZHANG Ning.Numerical Simulation for Effect of Homogeneous and Stiffened Plates on Resisting Projectile Penetration[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):30-33.

加筋板结构具有良好的力学特性，在现代船舶、飞机及建筑行业中以及军事方面得到了广泛的应用。目前，对其静力学及一般动力学特性已有了很充分的认识。而对于其受到爆炸载荷时的动力学特性也有越来越深入的研究。近年来，尽管人们对弹丸侵彻薄板问题进行了大量的研究，得到了一系列理论或经验公式，但研究的主要内容大都局限于弹丸对均质靶板的侵彻[1-6]。同时，国内有少部分关于侵彻加筋靶板的数值模拟研究，金建明等[7]对舰舷结构板和平板的等效方法进行了研究。宋卫东等[8]对多层加筋靶板的侵彻模型与等效方法开展了理论研究，并推导了速度计算公式。同时，国外公开发表的文献相对较少．Hinrichsen[9]等对飞机受导弹袭击时的瞬态响应进行了细致的数值模拟，但计算模型缺乏实验的有效验证。

本文结合实验[10-11]采用ANSYS/LS-DYNA对半穿甲弹侵彻均质靶板和加筋靶板进行了数值模拟，分析靶板的破坏情况，弹丸的剩余速度，并与实验结果进行比较，证明数值模拟的可靠性，并建立卵形弹丸模型以上述J-C模型对均质靶板和加筋靶板的四个点进行不同速度穿甲的数值，分析靶板的破坏情况、弹丸在不同速度下的剩余速度变化规律以及弹丸的变形情况，并运用理论计算公式与数值模拟结果进行比较，证明数值模拟结果是可靠的。

1有限元模型的建立

1.1焊缝的处理

实验采用均质靶板和加筋靶板，靶板同板筋为焊接连接，由于实验中大多数板筋未出现撕裂现象，因此建模时忽略了焊缝的影响，将靶板与板筋进行固定连接，看作一个整体。

1.2材料模型

表1　弹丸和靶板的材料参数

1.3单元的选择与算法

采用solid164八节点六面体单元，并采用单点积分与沙漏控制，并且采用拉格朗日算法。弹体与靶板采用面面接触与侵蚀接触。

1.4有限元模型

文献[10-11]中弹丸为截卵形弹丸，弹体长370 mm，直径105 mm，截顶直径为20 mm，弹头圆弧半径180 mm，质量16.385 kg。靶板尺寸为1 400 mm×1 000 mm×15.2 mm，板筋分为大筋和小筋，大筋尺寸为1 000 mm×15.2 mm×68 mm 小筋尺寸为1 400 mm×7 mm×26 mm，大筋间距600 mm，小筋间距125 mm。材料与靶板材料相同。靶板周围采用刚性固定。弹丸与靶板的模型如图1和图2。

图1　截卵形弹丸有限元模型

图2　加筋靶板有限元模型

数值模拟针对实验中5种情况进行仿真，根据实际情况进行建模，并且划分网格，为了增加计算的准确性，在弹丸头部以及与靶板接触的地方网格比较密集，其余地方较为稀疏。

2数值模拟结果与分析

2.1数值模拟结果

数值模拟的结果如表2所示。

表2　数值模拟结果与实验结果的弹丸剩余速度

2.2结果分析

由表2可以看出数值模拟结果与实验的弹丸剩余速度最大相差4.07%，由于数值模拟不可能真正完整的模拟出真正的弹丸模型，所以弹丸的剩余与实验结果比较吻合，因此说明材料模型与接触情况的选择比较合适，运用ANSYS/LS-DYNA的数值模拟是可行的。靶板的破坏模式主要为充塞破坏模式，弹孔为圆形，弹孔直径与弹丸直径基本相同，而且弹丸几乎没有任何变形，与实验情况一致。弹丸的弹着点距离板筋越近，弹丸的偏转角度越大。

3卵形弹丸的数值模拟与分析

3.1数值模拟

材料模型运用表1中的J-C模型，单元选择和算法选择与上面相同，靶板尺寸也和上面相同，弹丸尺寸如图3所示，弹丸速度为100～600 m/s，弹着点位置如图4所示。

图3　CRH=2的卵形弹丸

图4　加筋靶板的弹着点位置分布

3.2弹丸剩余速度的理论计算

假设：弹丸对能量的吸收忽略；侵彻完成后弹丸与充塞块以相同的速度继续运动；材料的应变率忽略；靶板忽略弹性变形，仅考虑塑性变形，靶板屈服强度为σ0。

弹丸的剩余速度公式为

(1)

其中：m为弹丸质量，mp为充塞质量，v0为弹丸初始速度，vf为剩余速度。

(2)

σ0为靶板屈服强度，h为靶板厚度。

(3)

R为弹丸半径，a变形面积半径，Q=1/h,w0大筋最大变化位移，取0.03 m。

(4)

b1和bt分别为小筋和大筋的宽度，h1和ht分别为小筋和大筋的高度。

(5)

(6)

3.3数值模拟和理论计算的结果比较与分析

从图5到图9可以看出弹丸数值模拟的剩余速度结果与理论计算结果基本吻合，说明卵形弹丸的数值模拟是可行的。

在初始速度较低时，理论计算结果与数值模拟有一定的偏差，但随着初始速度增加，偏差逐渐减小。由于弹丸在侵彻靶板过程中，尤其是接近加强筋的位置，会发生弹道的偏转，进一步影响弹丸的速度，因而造成与理论计算有一定的偏差。弹着点越靠近加强筋，弹丸的极限穿透速度越大，在大筋与小筋的交叉点，极限穿透速度达到最大，而且在任何速度下都有相的规律。

随着初始速度的减小，初始速度较低时的速度降落率明显大于初始速度较高时的速度降落率。靶板上弹孔基本呈现圆形，与弹丸直径大致相同。弹着点越靠近加强筋，造成侵彻过程中弹丸的偏转越大，对弹丸的侵彻有一定的影响。

图5　均质上靶板剩余速度与初始速度的关系

图6　1位置靶板剩余速度与初始速度的关系

图7　2位置靶板剩余速度与初始速度的关系

图8　3位置靶板剩余速度与初始速度的关系

图9　4位置靶板剩余速度与初始速度的关系

4结论

采用软件ANSYS/LS-DYNA对截卵形和卵形弹丸对加筋靶板进行数值模拟，截卵形弹丸数值模拟结果与实验吻合，说明该软件的数值模拟是可行的。两种弹型对靶板的破坏形式主要为充塞破坏，出现花瓣形，弹孔均为圆形，与弹丸的直径大体相同。

弹着点越靠近加强筋，垂直侵彻时，弹丸的速度降落率越大，说明加强筋对于靶板的抗弹性能有明显的增强作用，优越于均质靶板。弹着点越靠近加强筋，垂直侵彻时，弹丸的弹道偏转越大，同样说明加强筋对靶板的抗弹性能有明显的增强作用。

相同速度下两种弹侵彻相同靶板位置，卵形弹丸的速度降落率明显高于截卵形弹丸，并且卵形弹丸侵彻过后，弹丸头部遭到的破坏比较严重，但是截卵形弹丸的基本完好，两者说明截卵形弹丸的优越性。

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(责任编辑周江川)

Numerical Simulation for Effect of Homogeneous and Stiffened Plates on Resisting Projectile Penetration

ZHANG Ning

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:According to the structure of warships, with the ANSYS/LS-DYNA, the numerical simulation was performed with the truncated oval-nosed projectiles against homogeneous and stiffened plates penetration to analyze the target damage, the residual velocities of projectiles, the deformation of projectiles and deflection of trajectory. Good agreement was obtained between the numerical simulations and experimental results. And the oval-nosed projectiles were established. Numerical simulations were performed with the oval-nosed projectiles against the same plates to analyze target damage, residual velocities of projectiles, deformation and deflection of ballistic trajectory. Good agreement was obtained between the numerical simulations and theoretical results.

Key words:numerical simulation; stiffened plates; truncated oval-nosed projectiles; oval-nosed projectiles

文章编号：1006-0707(2016)02-0030-04

中图分类号：U661.41

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.008

作者简介：张宁(1988—)，男，硕士研究生，主要从事弹药毁伤与爆炸工程研究。

收稿日期：2015-06-27；修回日期：2015-07-20

本文引用格式：张宁.均质靶板和加筋靶板抗弹性能的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2016(2):30-33.

【装备理论与装备技术】