弹丸侵彻混凝土的SPH算法

给出了弹丸侵彻混凝土的数值计算,其中弹体作为刚体处理并划分成Lagrangian标准有限元网格,而混凝土划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist Johnson Cook本构模型及损伤模型。计算结果与实验结果的对比表明,利用光滑粒子流体动力学方法对混凝土材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的,并可避免网格重分或网格消蚀。此外,将光滑粒子流体动力学方法和有限元方法结合可以保持计算过程中材料界面的清晰。     

关于弹体冲击和贯穿混凝土的三维数值模拟

利用FEM和SPH算法相结合给出弹体冲击和贯穿混凝土的三维数值模拟。将弹体划分为四面体有限元网格,混凝土划分为光滑粒子。为形成单元方便,将弹体划分成三个独立的模块并且这三个独立的模块具有拼凑功能。给出光滑粒子-有限元界面的滑移面算法。为了提高计算效率,在程序的前处理中预设界面的从属点和每个光滑粒子的关联点。计算结果与实验结果对比表明,FEM和SPH算法相结合及编制的程序能有效模拟弹体对混凝土的三维冲击和贯穿过程。同时给出在垂直冲击中二维计算与三维计算的差别。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为。计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型。钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson Cook模型。为了得到不同尺度的变形信息 ,计算中用了两种网格 ;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌 ;接着 ,用细密网格 (在变形局部化区域 ,网格尺寸达到 10 m)分析绝热剪切带的形成和发展。有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致。计算结果表明 ,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

复合材料层合板的摄动随机Cell-Based光滑有限元

随机性是实际工程结构的固有特性,如何更真实地描述含随机参数结构的随机响应及统计特性,对工程结构的可靠性设计具有非常重要的意义。本文基于Cell-Based光滑有限元,采用四边形单元,推导了基于一阶剪切变形理论的复合材料层合板的光滑有限元公式,降低了网格划分要求,适应不规则网格,并采用离散剪切间隙有效地消除了剪切自锁;结合摄动法和随机场理论,导出了复合材料层合板的摄动随机光滑有限元平衡方程,并给出了结构随机响应数字特征的计算公式,求解了材料属性含随机性的复合材料层合板的随机响应问题,数值算例结果表明了本方法的有效性和准确性。     

基于偶应力理论剪切带问题的弹塑性有限元分析

对于软化材料的剪切带问题,传统弹塑性有限元分析遇到了困难,进入弹塑性阶段,计算结果对网格划分敏感,出现所谓的有限元网格依赖性问题,随着网格的细分,计算常常因不收敛导致失效. 用有限元软件ABAQUS计算了3个例题,证实了传统弹塑性有限元分析软化材料剪切带问题的局限性,同时证实对于无剪切带的厚壁筒问题不会出现上述问题. 进一步引入细观非局部化理论,对非局部理论含有的细观参数\ell进行了深入讨论,并采用可通过C0 -1分片检验的18参偶应力三角形单元,重新计算了3个例题,结果避免了上述问题,说明细观偶应力有限元尤其适用于分析剪切带问题.      

弹、塑性弹丸冲击混凝土的滑移面算法及其损伤演化

将有限元方法与光滑粒子动力学方法相结合,编制了弹、塑性弹丸冲击混凝土的计算程序,其中给出具有人工动量输运功能的滑移面算法。计算表明,弹丸按弹、塑性计算与按刚体计算的侵彻过程不同;特别对于壳结构弹体,其冲击速度存在临界值。超过临界冲击速度,弹体将发生较大塑性变形和损伤破坏,而且弹丸侵彻深度不能再随冲击速度增加而有效地增加。弹体损伤区的内损伤演化率与冲击速度有关,当冲击速度增加时损伤演化加快。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅱ.有限元解法

以非局部塑性理论为基础,应用状态空间理论,通过局部和非局部两个状态空间的塑性能量耗散率等效原理,提出了一种求解应变局部化问题的新方法,以得到与网格无关的数值解.针对二维问题的屈服函数和流动法则导出了求解非局部内变量的一般方程,并提出了在有限元环境中求解应变局部化问题的应力更新算法.为了验证所提出的方法,对1个一维拉杆和3个二维平面应变加载试件进行了有限元分析.数值结果表明,塑性应变的分布和载荷-位移曲线都随着网格的变小而稳定地收敛,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关,而对有限元网格的大小不敏感.对于一维问题,当有限元网格尺寸减小时,数值解收敛于解析解.对于二维剪切带局部化问题,数值解随着网格尺寸的减小而稳定地向唯一解收敛.当网格尺寸减小时,剪切带的宽度和方向基本上没有变化.而且得到的塑性应变分布和网格变形是平滑的.这说明,所提方法可以克服经典连续介质力学模型导致的网格相关性问题,从而获得具有物理意义的客观解.此模型只需要单元之间的位移插值函数具有C~0连续性,因而容易在现有的有限元程序中实现而无需对程序作大的修改.     

液化天然气储罐混凝土穹顶的冲击破坏模式与机理

为获得大型全容式LNG储罐混凝土穹顶结构在圆柱形刚体冲击作用下的动力响应、失效模式以及失效机理,基于160 000 m3的LNG储罐,应用ANSYS/LS-DYNA建立LNG储罐精细化有限元数值模型,并通过对弹丸冲击混凝土靶板实验的数值模拟,验证了有限元模拟方法及材料模型的适用性。通过分析圆柱体冲击物撞击下LNG储罐的动力响应,提出储罐穹顶结构的3种失效模式即局部凹陷、混凝土剥落、击穿破坏,并根据冲击过程中能量的传递特征揭示了每类失效模式对应的失效机理。最后通过大量参数分析获得不同冲击物直径、冲击位置、冲击角度对LNG储罐结构的最大冲击响应及失效模式的影响规律。结果表明,冲击角度、冲击物直径对LNG储罐混凝土外罐穹顶的失效模式影响较大,冲击位置对储罐穹顶失效模式的影响较小,可以忽略。     

爆炸冲击作用下绝热挡环破碎性能研究

固冲发动机转级时转级机构通常采用火工品爆炸破碎方式进行分离,转级机构的绝热挡环须可靠破碎成小碎片,从而在转级过程中不产生过高的压强峰值,对于确保进气道正常起动至关重要。本文采用光滑粒子动力学(SPH)方法,绝热挡环材料采用正交各向异性连续介质模型,对爆炸冲击作用下绝热挡环的破碎性能开展了数值仿真分析,获得了有无削弱槽结构的破碎开裂形式和碎片尺寸,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,数值仿真结果与试验结果基本一致,碎片尺寸的最大值偏差为6.5%。通过数值仿真分析,揭示了爆炸冲击作用下绝热挡环的破碎过程,对评估绝热挡环削弱槽的结构优化设计具有一定的指导意义。     

计及热传导影响对长杆弹侵彻陶瓷靶的数值分析

采用有限元方法离散瞬态热传导方程,编写成侵彻过程热传导计算模块,并将之嵌入已有的冲击动力学程序中,然后运用于长杆弹在900~1 800 m/s着速范围内侵彻AD95陶瓷靶的数值分析,得到了符合物理事实的计算图像,所得的计算结果比采用传统的绝热模型得到的计算结果更符合实验结果。探讨了计及热传导效应对长杆弹侵彻AD95陶瓷靶数值模拟的影响:着速在900~1 350 m/s范围内时,计及热传导的数值计算所得侵深小于绝热模型计算结果;着速在在1 350~1 450 m/s范围内时,两种模型计算侵深接近;着速在在1 450~1 800 m/s范围内时,热传导模型计算侵深大于绝热模型计算结果。     

Numerical simulation: The dynamic behavior of reinforced concrete plates under normal impact

This investigation deals with the use of the finite element method on the reinforced concrete structural dynamic response and failure behavior when subjected to the projectile impacts of different velocities, using the test conducted in [S.J. Hanchak, M.J. Forrestal, E.R. Young, J.Q. Ehrgott, Perforation of concrete slabs with 48 MPa (7 ksi) and 140 MPa (20 ksi) unconfined compressive strengths, Int. J. Impact Eng. 12 (1992) 1–7]. The Johnson–Holmquist concrete material constitutive law model is employed to simulate the large strains, high strain states and high pressures to which the concrete is subjected. The projectile impact velocity ranges from 381 m/s to 1058 m/s. Numerical simulations demonstrate that the Johnson–Holmquist concrete material constitutive model can describe the different failure modes without any predefined defects in the element mesh, and normally obtain good agreement between the numerical simulations and test results.     

侵彻钢筋混凝土过程中弹丸过载特性的实验研究

实验测试了侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的过载情况,得到侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成四个部分,每个部分代表弹丸与钢筋混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段弹丸与钢筋混凝土相互作用的特点。实验结果表明,含筋率为2%的钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力明显高于含筋率为1%的钢筋混凝土靶板。研究结果为理论模型的建立打下了基础,也可为相关弹药和防护工程的优化设计提供参考。     

薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土实验研究

设计了一种优化结构的薄壁高速侵彻弹体,采用YOUNG方程预估弹体高速侵彻钢筋混凝土的侵彻深度,通过建立三维有限元模型分析并计算了薄壁弹体高速侵彻2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力和结构变形情况。在100mm口径的火炮上,开展了8kg弹体高速侵彻钢筋混凝土靶实验,考核了弹体的结构强度和侵彻能力。结果表明:薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土靶板后结构完整,在1020m/s和1200m/s速度下具备穿透2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力。     

刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型

为描述刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体姿态变化，针对已有贯穿模型存在的问题，在斜侵彻贯穿过程中考虑了弹体转动惯量对姿态偏转的影响，根据弹体贯穿靶板后的成孔特性重新假设了背靶面崩落块形状，并在弹体贯穿出靶的剪切冲塞阶段引入了弹体姿态二次偏转机制，从而建立了刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型，同时给出了混凝土薄靶、中厚靶和厚靶的分类方法。多种侵彻状态的理论模型计算结果均与实验测量结果吻合较好，表明本文理论模型可有效预估弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体出靶姿态。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

EFP对有限厚靶板侵彻过程及后效研究

描述了爆炸成型弹丸(explosive formed projectile,EFP)对有限厚靶板的侵彻过程,建立了计算EFP对有限厚靶板侵彻过程参数的一维分析模型。基于该模型编制了程序代码,对EFP侵彻有限厚靶板的后效参量及极限穿透速度进行了计算,并和试验结果进行了比较。证明该模型能较准确地对EFP侵彻有限厚靶板后效参量进行计算。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.