基于ANSYS/LS-DYNA分析平頭彈侵徹間隙式雙層靶的失效模式

劉兵, 王紅紅, 鄧勇軍

(西南科技大學土木工程與建筑學院, 四川綿陽621010)

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基于ANSYS/LS-DYNA分析平頭彈侵徹間隙式雙層靶的失效模式

劉兵, 王紅紅, 鄧勇軍

(西南科技大學土木工程與建筑學院, 四川綿陽621010)

侵徹問題一直在軍用和民防領域扮演重要角色。近年來針對單層靶通過數值模擬手段得到了較為滿意的成果，而針對間隙式雙層靶的研究相對較少。基于有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，分別對平頭彈撞擊6 mm和12 mm厚的單層靶以及(2×6+24) mm間隙式雙層靶進行數值模擬，采用Recht-Ipson公式處理剩余-初始速度，得到以上三種結構形式靶板的彈道極限，并與理論預期和實驗結果進行比較；通過數值模擬，證實了平頭彈撞擊(2×6+24) mm間隙式雙層靶最終的破壞模式為剪切沖塞和絕熱剪切沖塞混雜失效，這與理論分析一致。

穿甲;單層靶;間隙式雙層靶;絕熱/剪切;LS-DYNA

引言

在軍工防護結構領域，穿甲問題扮演著重要角色。穿甲實驗是最重要、最基本的研究方法，但成本高，理論分析有一定的適用范圍，而數值模擬技術以其在經濟性和效益性方面的優勢，日益成為研究穿甲問題不可或缺的研究手段。

劉兵等[1]基于Chen and Li[2-3]的相關理論模型，提出平頭彈穿甲間隙式雙層靶板最終的破壞模式為考慮結構響應的絕熱剪切和剪切沖塞混雜失效，對Dey等[4]的平頭彈穿甲Weldox700E系列鋼靶的試驗數據進行系統的分析比較。

Dey等[4]在LS-DYNA軟件里采用修改形式的J-C強度模型[5]和J-C斷裂準則[6]對文中實驗進行了二維數值模擬，仿真結果與實驗數據一致性較好；Teng等[7]通過ABAQUS/EXPLICIT建立二維軸對稱模型，指出平頭彈穿甲相同厚度的單層靶和雙層靶，雙層靶的抗侵徹能力要高7%～25%；張偉等[8]通過數值模擬，給出了初始-剩余速度預估值與實驗值具有很好的一致性，證實了彈體撞擊第二層靶板存在兩種撞擊情形。

為了更進一步驗證劉兵等[1]提出平頭彈貫穿間隙式雙層靶失效模式的正確性，本文將通過ANSYS/LS-DYNA來論證平頭彈穿透間隙式雙層靶的失效模式。

1 有限元模型

1.1 彈靶材料本構模型

在數值模擬中，靶板采用采用Johnson-Cook(J-C)強度模型和累積損傷失效模型來描述靶材的力學性能[5-6]，J-C本構模型常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態行為，該模型利用變量乘積關系分別描述應變、應變率、溫度和損傷因子的影響，具體形式為：

(1)

靶板狀態方程采用Gruneisen方程：

(2)

在數值模擬中，靶板采用Johnson-Cook(J-C)強度模型和累積損傷失效模型來描述靶材的力學性能，彈體材料模型服從VonMise屈服準側，采用雙線等向強化模型(Bilinear-Isotropic)。靶板的相關物性參數(見表1)主要參考文獻[9]，彈的相關物性參數(表2)主要參考文獻[10]。

表1 Johnson-Cook模型材料參數

表2 彈體模型材料參數

1.2 彈靶有限元模型

在計算模型中，共有三種工況。基于ANSYS/LS-DYNA，分別模擬平頭彈穿透厚度為6mm和12mm的單層靶以及間隙式雙層靶(2×6+24)mm，靶板半徑為250mm，彈為長80mm，直徑為20mm的平頭彈。數值模擬中，取四分之一結構進行三維數值模擬，設定靶板外表面為應力無反射截面，以模擬無限域。彈和靶板網格均用Lagrange映射網格劃分方法，靶中與平頭彈撞擊區域及其附近區域網格進行加密。網格單元形狀為八節點六面體，彈和靶板單元類型均采用Solid164。由于彈體在實驗中的變形不明顯，模擬中彈體的尺寸為1.0mm×1.0mm×1.0mm，靶心單元尺寸為0.24mm×0.24mm×0.24mm，離靶心較遠部分網格比例加大，如圖1所示。同時，為了更進一步減少計算時間，計算中將(2×6+24)mm間隙式雙層靶之間的間隙由24mm減少到12mm。在對稱邊界面上施加對稱約束，在靶板邊界處施加非反射邊界，彈靶之間采用三維面對面侵蝕接觸算法，單位采用cm-g-μs進行模擬。間隙式雙層靶及平頭彈有限元模型如圖2所示。

圖1 靶板有限元模型

圖2 平頭彈撞擊間隙式雙層靶有限元模型詳圖

2 數值分析結果

文獻中經常使用Recht-Ipson[11]公式來處理彈體的剩余-初始速度實驗或仿真數據，得到Recht-Ipson曲線，并得到彈靶系統的彈道極限。

2.1 單層靶穿甲的數值模擬

平頭彈穿甲6mm單層靶，將文獻[2]分析得到的理論預期和實驗數據，與仿真結果進行對比(表1)。從表1知，當彈初速為245.8m/s時，實驗結果為204.8m/s，仿真結果為207.4m/s，絕熱剪切分析結果為201.7m/s，理論預期與實驗結果和仿真結果誤差分別為1.5%、2.8%，誤差均在5%以內，效果較為理想。根據表3中數據，利用Recht-Ipson[11]處理實驗數據和仿真結果，通過ChenandLi[2-3]提出的剪切沖塞模型和絕熱剪切沖塞模型得到的理論預期，如圖3所示。

由圖3可知，圖中3條曲線的彈道極限(從左至右)分別為140.8m/s、171.2m/s、174.3m/s、213.0m/s；數值分析與由剪切沖塞分析得到的彈道極限相近，誤差為1.8%，同時也與文獻[4]中由二維數值模擬得到的彈道極限177.5m/s相近。因此，仿真結果和理論預期值得采信。通過數值模擬，證實了平頭彈撞擊6mm單層靶最終的破壞模式為剪切沖塞失效。

表36 mm靶板的理論預期和實驗數據以及仿真結果

圖3 平頭彈撞擊6 mm單層靶的實驗數據和理論以及模擬結果

平頭彈穿甲12mm單層靶，將文獻[3]分析得到的理論預期和實驗數據，與仿真結果進行對比，見表4。圖4給出了通過R-I公式[11]處理得到的實驗曲線分別由剪切沖塞模型和絕熱剪切沖塞模型得到的理論預期、Recht-Ipson仿真曲線。由圖4可知，圖中4條曲線的彈道極限(從左至右)分別為168.0m/s、201.6m/s、206.5m/s、229.5m/s，模擬結果與理論預期相近，誤差僅為2.3%，與文獻[4]由二維數值模擬得到的彈道極限213.6m/s相近，而模擬結果和理論預期均與由實驗數據擬合得到的彈道極限有出入；仿真曲線與絕熱剪切沖塞曲線吻合度較好。

表412 mm靶板的理論預期和實驗數據以及仿真結果

圖4 平頭彈撞擊12 mm單層靶的實驗數據和理論以及模擬結果

2.2 間隙式雙層靶穿甲的數值模擬

針對平頭彈穿甲(2×6+24)mm間隙式雙層靶，將劉兵等[1]分析得到的剪切/絕熱混雜失效預期結果、Dey等[4]實驗數據、仿真結果進行匯總(表5)。表5中當彈初速為351.1m/s時，實驗結果為189.9m/s，仿真結果為199.7m/s，剪切/絕熱混雜失效分析結果為205.3m/s，理論預期與實驗結果和仿真結果誤差分別為7.5%、2.7%。利用Recht-Ipson[11]公式處理實驗數據和仿真結果，并得到Recht-Ipson曲線，與剪切/絕熱混雜失效的理論預期進行比較，如圖5所示。

表5(2 ×6+24) mm間隙式雙層靶的理論預期和實驗數據以及仿真結果

圖5 平頭彈撞擊(2×6+24) mm間隙式雙層靶的實驗數據和理論以及模擬結果

由圖5可知，圖中3條曲線的彈道極限(從左至右)分別為234.6m/s、248.3m/s、260.3m/s, 文獻[4]中由二維數值模擬得到的彈道極限250.0m/s, 與由三維拉格朗日算法模擬得到的彈道極限248.3m/s相近；圖5中3條曲線的變化趨勢隨著彈速的不同，吻合度不同，彈速較高或者在彈道極限附近時，吻合度差異較大，而在中高速范圍內吻合度較高；通過數值模擬，在其彈速適用范圍內，證實了平頭彈撞擊(2×6+24)mm間隙式雙層靶最終的破壞模式為剪切沖塞和絕熱剪切沖塞混雜失效，這與理論分析一致。特別說明，對于穿甲問題，任何理論模型都有其適用范圍。

當彈初速為351.1m/s時，侵徹(2×6+24)mm間隙式雙層靶過程中彈和靶板的VonMises應力分布見圖6。由圖6發現，平頭彈(2×6+24)mm間隙式雙層靶相當于侵徹兩層6mm厚的單層靶，6mm靶板屬薄靶，整體結構響應明顯，彈與靶板作用區域及其附近區域產生了較大的變形，進一步發現第二層靶板的結構變形較第一層靶板大。

圖6 初速為351.1 m/s時，侵徹過程彈和(2×6+24) mm靶的Von Mises應力分布

圖7給出了平頭彈侵徹間隙式雙層靶時侵徹速度和彈尾速度時間歷程。平頭彈以351.1m/s的速度正侵徹(2×6+24)mm間隙式雙層靶，在彈丸撞擊靶板的過程中，彈丸侵徹速度首先經過急劇下降階段后，速度轉為緩慢下降階段；彈尾速度一直處于緩慢下降階段。在34～46μs時彈丸侵徹速度和彈尾速度處于平穩過渡階段，變化幅度不大，這主要是彈丸穿過第一層靶板后，彈丸穿過間隙，即將同塞塊撞擊第二層靶板。彈同塞塊撞擊第二層靶板時，隨著速度的下降，侵徹能力也隨之下降，侵徹時間長于第一層靶板，產生了較大的彎曲變形，即將穿透第二層靶板時，侵徹速度和彈尾速度均急劇下降，最后處于平穩階段，兩者值近似相等。

圖7 平頭彈侵徹間隙式雙層靶時侵徹速度和彈尾速度時間歷程

4 結束語

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件對(2×6+24)mm間隙式雙層靶進行數值模擬，進一步論證劉兵等[1]提出平頭彈貫穿間隙式雙層靶失效模式的正確性。由三維拉格朗日算法模擬得到(2×6+24)mm間隙式雙層靶的彈道極限為248.3m/s，與Dey等[4]由二維數值模擬得到的彈道極限250.0m/s相近；3種曲線的變化趨勢隨著彈速的不同，吻合度不同，彈速較高或者在彈道極限附近時，吻合度差異較大，而在中高速范圍內吻合度較高；平頭彈(2×6+24)mm間隙式雙層靶相當于侵徹兩層6mm厚的單層靶，6mm靶板屬薄靶，整體結構響應明顯，彈與靶板作用區域及其附近區域產生了較大的變形，進一步發現第二層靶板的結構變形較第一層靶板大；通過數值模擬，在其彈速適用范圍內，證實了平頭彈撞擊(2×6+24)mm間隙式雙層靶最終的破壞模式為剪切沖塞和絕熱剪切沖塞混雜失效。

[1] 劉兵,陳小偉.平頭彈穿透間隙式雙層靶的失效模式分析[J].爆炸與沖擊,2015.(錄用).

[2] Chen X W,Li Q M.Shear plugging and perforation of ductile circular plates struck by a blunt projectile[J].International Journal of Impact Engineering,2003,28(5):513-536.

[3] Chen X W,Li Q M,Fan S C.Initiation of adiabatic shear failure in a clamped circular plate struck by a blunt projectile[J].International Journal of Impact Engineering,2005,31(7):877-893.

[4] Dey S,Borvik T,Teng X,et al.On the ballistic resistance of double-layered steel plates:An experimental and numerical investigation[J].International Journal of Solids and Structures,2007,44(20):6701-6723.

[5] Johnson G R,Cook W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains,high strain rates and high temperatures[C]//Proceedings of the 7th international symposium on ballistics, Netherlands,1983:541-547.

[6] Johnson G R,Cook W H.Fracture characteristics of three Metals subjected to various strains,strain rates,temperatures and pressures[J].Engineering Fracture Mechanics,1985,21(1):31-48.

[7] Teng X,Dey S,B?rvik T,et al.Protection performance of double-layered metal shields against projectile impact[J].Journal of Mechanics of Materials and Structures,2007,2(7):1309-1329.

[8] 張偉,肖新科,郭子濤,等.雙層A3鋼靶對平頭桿彈的抗侵徹性能研究.高壓物理學報,2012,26(2):163-169.

[9] Dey S,Borvik T,Hopperstad O S,et al.The effect of target strength on the perforation of steel plates using three different projectile nose shapes[J].International Journal of Impact Engineering,2004,30(8-9):1005-1038.

[10] Borvik T,Hopperstad O S,Berstad T,et al.A computational model of viscoplasticity and ductile damage for impact and penetration[J].European Journal of Mechanics,A/Solids,2001,20(5):685-712.[11] Recht R F,Ipson T W.Ballistic perforation dynamics[J].Journal of Applied Mechanics-Transactions ASME,1963,30(3):384-390.

Failure Mode Analysis of Clearance Double-layered Target for Blunt Projectiles Penetration Based ANSYS/LS-DYNA

LIUBing,WANGHonghong,DENGYongjun

(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

The penetration problem has always played an important role in the field of military use and civil defense. Nowadays, for single-layered plate, it has gained a satisfying achievement by numerical simulation. However, the research on clearance double-layered plate is relatively rare.Based on the finite element software ANSYS/LS-DYNA, the numerical simulations of 6/12mm thick monolithic target and (2×6+24) mm thick double-layered target spaced with air impacted by blunt projectiles are achieved. The residual versus initial velocities are deposed by Recht-Ipson formula, then the ballistic limit velocities of the three targets are obtained, and the theoretical expectation is compared with the test data. The numerical simulation verifies that the final failure mode of the(2×6+24) mm double-layered plates spaced with air impacted by blunt projectilesis the mixture of shear plugging and adiabatic shear plugging, which coincide with the theoretic analysis.

perforation; single-layered plate; clearance double-layered plate; adiabat/shear; LS-DYNA

2015-05-21

劉 兵(1987-),男,湖北宜昌人,碩士,主要從事沖擊動力學方面的研究,(E-mail)258619117@qq.com

1673-1549(2015)03-0011-05

10.11863/j.suse.2015.03.03

TB112

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