不同彈體對高壓氣瓶的撞擊性能分析

岳應娟，劉 備，秦忠寶，陳 飛

(第二炮兵工程大學理學院，陜西 西安，710025)

不同彈體對高壓氣瓶的撞擊性能分析

岳應娟，劉 備，秦忠寶，陳 飛

(第二炮兵工程大學理學院，陜西 西安，710025)

運用ANSYS/LS-DYNA軟件對彈體撞擊高壓氣瓶的過程進行數(shù)值模擬，得到彈頭形狀、子彈質(zhì)量和接觸面積不同時子彈穿透高壓氣瓶的臨界速度和臨界動能，分析了不同因素對子彈撞擊性能的影響。結(jié)果表明，彈頭形狀對穿透動能的影響不大；在接觸面積相同的情況下，隨著子彈質(zhì)量的增加，其穿透瓶體的速度逐漸降低，而所需的穿透動能逐漸增大；子彈與瓶體接觸面積越大，需要的穿透動能越大。

高壓氣瓶；子彈；撞擊；數(shù)值模擬；LS-DYNA

壓力容器是具有爆炸性危險的特種設備，其安全問題已日益為人們所關(guān)注。高壓柱形氣瓶在現(xiàn)役裝備中使用廣泛，已成為武器系統(tǒng)不可或缺的核心部件，其在各種極限條件下的安全性成為決策者不得不考慮的問題。當氣瓶周圍有物體發(fā)生爆炸時，產(chǎn)生的彈片、超聲波、碎石等極易與瓶體發(fā)生碰撞引起瓶體破壞，嚴重時可能使整個裝備系統(tǒng)癱瘓。爆炸中危害性最大的是彈片，其可以簡化為形狀、大小不一的彈體模型。本文以鋼制無縫高壓氣瓶為研究對象，擬采用有限元方法分析各種彈體對瓶體的破壞作用，以期為決策者進行高壓氣瓶的安全性評估提供參考。

1 彈體侵徹瓶體的有限元建模

1.1 物理參數(shù)

本文對不同彈體侵徹瓶體的過程進行有限元分析，瓶體材料為35CrMo，彈體材料為普通鋼材，材料性能參數(shù)如表1所示。

瓶體為圓柱形對稱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。撞擊部位選取瓶體中間。

1.2 材料模型

高速碰撞是沖擊動力學的一個典型問題，撞擊過程具有速度快、變形大、加載速率高等特點，在材料內(nèi)部出現(xiàn)明顯的絕熱升溫效應和應變率效應[1-2]。對于這類問題的仿真模擬，材料模型選取合理十分重要。ANSYS/LS-DYNA軟件中自帶的Johnson-Cook材料模型考慮了應變率強化引起的升溫軟化效應，結(jié)合Gruneisen狀態(tài)方程可以準確地描述侵徹過程中金屬材料的各種特性[3]。故本文中子彈和瓶體都選用Johnson-Cook材料模型，在撞擊過程中其流動應力如下：

(1)

(1+D5T*)

(2)

式中：D1～D5均為材料常數(shù)；σ*為平均等效應力。

1.3 子彈模型

由于撞擊瓶體的碎片大小不一，故設定子彈具有不同的大小和形狀，并以不同的速度撞擊瓶體。子彈直徑為2～4 cm，子彈高度為1～4 cm，彈頭形狀分為平頭、球頭、錐頭3種，如圖1所示。

1.4 有限元模型

氣瓶主體材料為35CrMo，根據(jù)材料特性和結(jié)構(gòu)特點，在撞擊侵徹研究中宜采用六面體實體單元SOLID164[4]，該單元具有8個節(jié)點，每個節(jié)點具有9個自由度，運用Lagrange列式。對于子彈和瓶體的接觸部位采用較密的網(wǎng)格劃分，與之較遠的部位采用較疏的網(wǎng)格劃分。子彈與瓶體的接觸類型選用侵蝕接觸：*CONTACT_EROODING_SURFACE_TO_SURFACE。最終建立的模型中，瓶體為54 750個單元，子彈為1216個單元。由于是對稱結(jié)構(gòu)，取1/4有限元模型如圖2所示。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 等效應力分布

子彈侵徹瓶體過程中的等效應力分布如圖3所示。由圖3可見，最大應力出現(xiàn)在彈體與瓶體接觸部位，等效應力呈環(huán)狀分布，向四周擴散并逐漸減小。

圖3 等效應力分布

Fig.3 Equivalent stress distribution

2.2 彈頭形狀對撞擊性能的影響

通過LS-DYNA求解，得到直徑為2 cm、具有不同形狀彈頭的子彈穿透鋼瓶的臨界速度和臨界動能，如表3所示。由表3可見，在彈體直徑相同，即撞擊接觸面積相同的情況下，子彈的穿透動能基本相同。因此，彈頭形狀對子彈穿透動能的影響不大。

表3 不同形狀彈頭的穿透速度及穿透動能

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

為了研究不同形狀的彈頭對瓶體的破壞機理，選取撞擊部位內(nèi)外表面節(jié)點各一個(節(jié)點1和節(jié)點19201)，得到不同形狀彈頭撞擊時的節(jié)點等效應力-時間歷程曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，平頭子彈撞擊瓶體時，瓶體內(nèi)表面單元首先失效，即內(nèi)表面先被破壞；而球頭子彈和錐頭子彈撞擊瓶體時，瓶體外表面單元首先失效。這是因為，在撞擊過程中，平頭子彈接觸面積較大，應力分布均勻，瓶體發(fā)生形變，向下凹陷，內(nèi)表面產(chǎn)生較大的應變，首先達到失效應變；而對于球頭子彈和錐頭子彈，由于彈頭形狀的原因，使得接觸部位應變最大，首先達到失效應變。

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

2.3 子彈質(zhì)量對撞擊性能的影響

選用直徑為2 cm、高度依次為1～4 cm的圓柱形子彈進行瓶體撞擊仿真試驗，得到子彈的穿透速度和穿透動能，如表4所示。

表4 不同質(zhì)量子彈的穿透速度和穿透動能

Table 4 Penetrating speed and energy of bullets with different qualities

由表4可見，隨著子彈質(zhì)量的增加，其穿透速度逐漸減小，但穿透動能逐漸增大。這是因為，高速撞擊時，能量主要用來破壞接觸部位，隨著速度的降低，周圍部位形變吸收的能量會越來越多，即隨著子彈質(zhì)量的增加，更多的能量用于瓶體形變。

2.4 接觸面積對撞擊性能的影響

實際工況下撞擊瓶體的彈體形狀是不規(guī)則的，撞擊部位的面積也是不同的。采用質(zhì)量相同而直徑不同的子彈可以反映接觸面積對子彈擊穿瓶體效果的影響。

表5所示為質(zhì)量相同、直徑分別為2～4 cm的圓柱形子彈穿透高壓氣瓶的臨界速度和臨界動能。由表5可見，隨著子彈直徑(接觸面積)的增大，子彈穿透瓶體的臨界速度逐漸變大，穿透動能隨之增加。這是因為，隨著撞擊面積的增大，瓶體形變增加，由瓶體形變吸收的能量也隨之增加。

表5 相同質(zhì)量不同直徑子彈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 結(jié)論

(1)彈頭形狀對子彈穿透瓶體的臨界速度和臨界動能影響不大。

(2)在接觸面積相同的情況下，隨著子彈質(zhì)量的增加，其穿透瓶體的速度逐漸降低，而所需的穿透動能逐漸增大。

(3)在子彈質(zhì)量相同的情況下，隨著子彈與瓶體接觸面積的增大，其穿透速度逐漸增大，穿透動能也相應增大。

[1] 馬曉青. 沖擊動力學[M]. 北京：北京理工大學出版社，1992.

[2] 寧建國，王成，馬天寶. 爆炸與沖擊動力學[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 張小坡，石全，王廣彥. 基于LS-DYNA的圓柱形破片侵徹靶板有限元分析[J]. 科學技術(shù)與工程，2007，7(23)：6004-6009.

[4] 谷長春，石明全. 基于LS-DYNA的高速碰撞過程的數(shù)值模擬[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2009，21(15)：4621-4624.

[責任編輯 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

岳應娟(1971-)，女，第二炮兵工程大學教授，博士.E-mail：yueyingjuan@163.com

O347.3

A

1674-3644(2015)01-0050-04