钢板混凝土复合靶抗贯穿性能的理论与数值分析

为了给防护结构的优化设计提供参考,基于动能守恒定律,推导出了后附薄钢板复合靶的弹体剩余速度公式及弹体剩余动能和初始动能之比Er/E0。利用ANSYS/LS-DYNA对已有文献的侵彻试验进行模拟,分析了钢板布局对复合靶抗贯穿性能的影响,对比了素混凝土靶、钢筋混凝土靶和复合靶的抗贯穿性能。结果表明:由BRLCEA-EDF转换公式得到的剩余速度预测值精度最高,其推导的Er/E0可用于评价钢板混凝土复合靶的抗贯穿性能;复合靶的抗贯穿性能随着钢板的后移而逐渐增强,其中工况0-3(靶板前后表面铜板厚度分别为0mm、3mm)较工况3-0(靶板前后表面铜板厚度分别为3mm、0mm)提高约10%;含筋率为0.8%时,复合靶的抗贯穿性能较素混凝土靶和钢筋混凝土靶分别提高约11%和4%,在靶板损伤中,复合靶能够抑制扩展裂缝的产生,后附钢板发生沿侵彻方向的凸起,并呈花瓣状开裂,但它减慢了后部弹坑的形成,提供了更大的侵彻阻力。     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度，根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征，认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法，计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系，得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度；随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大，靶板的弹道极限速度近似线性增大；长短轴之比小于3时，加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

框桁式复合墙体抗震性能试验及有限元分析

提出一种新型框桁式复合墙,由钢筋混凝土外框和内部桁式杆件构成。为了研究其抗震性能,按1∶2的缩尺比例初步设计和制作了3个单片框桁式复合墙体,进行了拟静力试验,并采用ABAQUS软件建立了有限元非线性分析模型,重点分析了轴压比、混凝土强度、箍筋配箍率及纵筋配筋率对其承载力和延性的影响。结果表明,墙体桁杆先于外框墙肢产生变形和破坏,最终在墙肢底部与桁杆围成的三角形部位由于弯矩值达到极限而发生破坏,破坏顺序明确,可达到多级耗能的目的;三个试件的延性系数均小于2.5,各试件延性系数的不同说明桁杆截面形式是影响墙体承载力的重要因素;随着轴压比、混凝土强度和纵筋配筋率的增大,试件承载力有不同程度的提高,试件的延性系数随轴压比和纵筋配筋率的增大而减小,随混凝土强度的增大而增大;箍筋配箍率对试件荷载-位移曲线、承载力和延性系数的影响很小;各因素对各项抗震性能的影响程度不同。     

高速3D-DIC测试技术在装甲钢贯穿试验中的应用

数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关（3D-DIC）技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度（255～568 m/s）冲击不同厚度（5、8和10 mm）高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144 000 s?1的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。     

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。     

有限厚块石砌体钢筋混凝土结构板抗贯穿性能的实验研究

用花岗岩和混凝土制备出了花岗岩板、钢丝网混凝土板、花岗岩与钢丝网混凝土组合板、花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构板4种类型的有限厚靶板。采用口径为30 mm的火炮作为发射装置,利用形状相同、材料强度不同的2种弹体对上述靶板进行了侵彻贯穿实验,比较了各类靶板抗侵彻贯穿破坏现象。结果表明,设计良好的块石砌体钢筋混凝土结构板具有优良的抗贯穿性能,且其抗贯穿性能与块石粒径、块石强度、块石砌筑方式、粘结强度和钢筋混凝土结构形式密切相关。     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

钢筋混凝土桥墩弯剪数值分析模型

基于修正的压力场理论MCFT(The Modified Compression Field Theory)和纤维单元模型建立了钢筋混凝土桥墩的弯剪数值分析模型,以MCFT理论确定桥墩的剪切力-剪切位移关系,并与考虑桥墩弯曲变形的纤维单元模型组合,共同考虑桥墩的弯-剪-轴力耦合作用.通过与六个弯剪破坏控制的圆形截面钢筋混凝土桥墩拟静力试验结果的对比,对分析模型进行了验证.主要认识结论为基于MCFT理论可准确地计算弯剪破坏桥墩的屈服荷载、极限荷载和弹性阶段剪切刚度,剪切开裂是引起钢筋混凝土构件剪切力-剪切位移关系刚度突变的主要因素,而弯曲开裂与纵筋屈服对刚度的影响较小;分析模型对弯剪破坏桥墩的滞回曲线、弯曲与剪切变形成分均进行了较为准确的模拟分析.     

单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究

钢板混凝土剪力墙作为一种新型的抗侧力构件，具有良好的耗能能力和抗冲击性能，已逐渐应用于建筑工程结构的抗震和防护结构的抗爆设计。设计了3个试件，分别为普通钢筋混凝土板、单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板，开展了钢板混凝土剪力墙的接触爆炸试验，并通过非线性程序LS-DYNA建立了3个钢板混凝土剪力墙试件的数值模型，对比分析了不同试件在接触爆炸作用下的动态响应、破坏模式和抗爆性能。试验和数值分析结果表明:接触爆炸作用下，试验设计的3种试件呈现3种破坏模式；普通钢筋混凝土板中部发生混凝土贯穿破坏，钢筋发生较大弯曲变形；单侧钢板混凝土板由于栓钉拔出发生钢板和混凝土分离，丧失整体性和继续承载能力；夹心钢板混凝土板发生上层混凝土压碎，夹心钢板、上层和下层混凝土板连接性能较强，整体性较好，具有继续承载的能力，且夹心钢板混凝土板跨中挠度和混凝土碎块飞溅距离较小。单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板配置钢筋网可以显著增强混凝土层和钢板的连接性能，有效减小上下层混凝土的碎裂和剥落，增强其整体性和抗爆性能。     

应用三维有限元法探讨RC梁柱节点的破坏机理

为了探究节点加强后RC梁柱节点的抗剪承载力、延性提高以及节点破坏模式由剪切破坏转变为梁弯曲破坏的实质,本文在RC节点的三维有限元分析的基础上探讨RC梁柱节点加强后的破坏机理。通过详细考察加固前后节点内部不同位置混凝土的应力-应变发展规律,探讨加强前后节点混凝土的宏观损伤发展过程;同时,通过考察核心混凝土的应力-应变关系及发展过程定量探讨加强钢板、梁柱主筋及箍筋对核心混凝土的约束作用。基于上述混凝土损伤过程的宏观分析,可以得出由于梁主筋的粘结加强、加强钢板以及箍筋对混凝土约束作用,使节点核心混凝土的实际强度增大、损伤延迟,RC节点由加强前的节点剪切破坏模式转变成梁端的弯曲破坏模式,从而提高RC梁柱节点的抗剪承载力和延性。     

Deformation and Failure Modes of Soft Steel Projectiles Impacting Harder Steel Targets at Increasing Velocity

The present paper describes an experimental and numerical study concerning the impact of blunt steel projectiles against harder steel plates, at impact velocities between 200 and 800 m/s. In contrast with previously published observations, three modes of deformation and failure of the soft steel projectiles were observed in the present study. These included: Taylor cylinder mushrooming, sunflower-like petalling and plugging perforation. Individual velocity ranges and the transitions between the deformation/failure modes are identified by both experiments and numerical simulations. Complex material failure mechanisms of projectile and target play conflicting roles in the various penetration stages. Johnson–Cook models of strength and accumulative damage failure are employed in 3D numerical simulation to describe material behavior of both projectile and target. Computational evolutions of each scenario are offered in detail to understand the deformation and failure of projectile and target plate.     

平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式

平头弹贯穿单层金属靶,随着靶厚的增加和弹速的增高,穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此,对于双层或多层靶的穿甲,其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析,讨论其穿甲模式。弹速较高时,贯穿第1层靶发生绝热剪切失效,弹速降低,贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效, 最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。     

A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的数值分析

不同速度范围内的A3钢钝头弹撞击45钢靶板分别表现为泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效和靶板冲塞穿甲等3种不同的破坏模式,利用LS-DYNA对这种复杂的破坏机理和相应的影响因素进行了数值模拟研究。采用Johnson-Cook强度模型和累积损伤失效模型描述弹靶材料的力学性能,并考虑了塑性变形的绝热温升效应。数值模拟再现了不同破坏模式的失效过程,得到了与实验一致的结果。研究还指出,弹靶的冲塞穿甲实际是在高速撞击下,弹体发生花瓣帽形变形失效后继续穿甲靶板的后续结果。     

配筋结构对弹丸侵彻过程影响的研究

本文提出的弹丸侵彻钢筋混凝土的解析模型,既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力.该解析模型的计算结果能反映弹丸与钢筋结构的作用过程,与测试数据符合较好.用该模型计算了配筋尺寸、网眼尺寸、配筋结构对侵彻深度、侵彻过程弹丸过载特性的影响.计算结果表明网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大;配筋直径增大,弹丸与钢筋的作用力显著增大,弹丸过载显著增大.     

A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的试验研究

为了研究破片模拟弹的终点弹道效应,进行了不同质量A3钢钝头弹(弹径25 mm)撞击45钢板的试验研究,其中A3钢强度弱于45钢。在约200～800 m/s的撞击速度范围内,随着撞击速度的增加,分别观察到弹体出现泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效及靶板冲塞穿甲三种破坏模式。伴随弹体和靶体经历的不同结构破坏模式,弹材和靶材也经历着相当复杂的材料失效。     

A membrane model for the response of thin plates to ballistic impact

The axisymmetric response of an infinite plate to an impacting projectile is determined analytically on the hypothesis that, for large deformations, a ductile plate behaves to a good approximation like a membrane under uniform tension. The lowest projectile velocity that results in perforation (the ballistic limit), and the residual velocity after perforation, then are determined on the basis of a critical-strain failure criterion. A figure of merit that depends only on the material properties of the target and characterizes the resistance of the material to impact appears naturally in the analysis. Variations in the ballistic limit with target thickness and projectile dimensions can be determined when this figure of merit is known. The theoretical ballistic limit and residual velocity for a steel cylinder impacting a titanium plate are found to agree with available measured values. Further support for the membrane model and an estimate of its range of validity are obtained by comparing the maximum displacement of an impulsively-loaded, circular membrane with experimental data for circular plates.     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。不同初速下弹丸的侵彻深度、侵彻过程中弹丸的位移、速度和负加速度时间历程的计算结果与测试数据符合很好,弹丸过载在12 000g~15 000g之间。该解析模型能够较真实的描述弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态,并且该模型能够分析配筋结构、配筋尺寸、网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响。     

钢筋混凝土穿甲的数值模拟

比较了LS-DYNA中关于钢筋和混凝土相互作用的不同处理方式（即接触方法和耦合方法）对钢筋混凝土穿甲结果的影响。数值模拟S.J.Hanchak 等关于钢筋混凝土靶的穿甲实验,给出了弹靶的变形破坏过程。讨论了穿甲钢筋混凝土靶的撞击位置对终点弹道性能的影响,加深了钢筋对侵彻作用的认识。所确定的数值模拟方法可用于进一步讨论钢筋结构与尺寸、配筋率等参数对侵彻影响等问题的研究。