基于Abaqus的木材侵彻性能的仿真研究

张秋实，李树森，谷志新，张思祺，高景洲

(1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040；2.沈阳农业大学 土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866)

基于Abaqus的木材侵彻性能的仿真研究

张秋实1，李树森1，谷志新1，张思祺2，高景洲1

(1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040；2.沈阳农业大学 土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866)

本试验基于空穴膨胀理论，采用Abaqus软件及其子程序的二次开发相关功能对球形钢弹侵彻木材进行了动态性能仿真模拟，试验选取的侵彻弹体为镍铬钢弹，靶体为兴安落叶松试材。试验中，将弹体约束为刚体，并对靶体的边界、自由度进行了约束，试验后，通过Abaqus的子程序对试验进行后处理，得到了不同节点的相关特性曲线，经过对图像的分析，初步得到了侵彻过程中木材的能量、位移、接触力、应力的变化，为今后木材抗侵彻性能的深入研究提供了依据。

木材侵彻性能；空穴膨胀理论；有限元；仿真

侵彻问题的数值模拟仿真是现如今的研究热点之一，其计算方法也相对比较成熟，如弹丸对金属，合金，岩石、混凝土等材料靶体的侵彻，但对于弹体对木质材料靶体的侵彻研究仍然比较少。

木材作为一种环保材料，具有良好的弹性、耐冲击性，且作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料、许多性质都区别与其他材料，而其力学性质更是与其它均质材料具有明显的差异[1]。木材所有力学性质指标参数因其含水率(纤维饱和点以下)的变化而产生很大程度的改变；木材会表现出介于弹性体和非弹性体之间的粘弹性，会发生蠕变现象，并且其力学性质还会受载荷时间和环境条件的影响等等[2]，因此，对木材的研究现在仍然是一个复杂的具有挑战性的课题。

同样，木材侵彻性研究也是对木材安全性等性能评估的一个重要方面，从而应用在木材的选取、检测上。如实验中选取的落叶松，常用在枕木、矿柱、车辆、建筑等冲击性较强的环境中，对其侵彻性能的研究可以为以后其安全性能的提高提供一定的理论依据。

1 冲击动力方程

在研究的问题中，木材在冲击载荷的作用下，其力学响应往往伴随着结构的变形、转动，甚至进入塑性状态[3]，这属于几何、材料等非线性的问题，因此需要运用冲击力学来研究木材在动载荷作用下的运动、变形和破坏规律。

根据空穴膨胀理论，确定靶体空穴以不同速度v扩展时空穴表面的应力大小[4]：

式中：A、B、C为常数；Y为靶体准静态屈服强度；ρ0为靶体密度。

在侵彻过程中并未把靶体当做刚体来处理，这样就必须考虑靶体所采用的本构方程[5]：

其中，E为杨氏模量，ε为等效应力，εp为等效塑性应变，δp为等效塑性应变率，Yp为弹体的屈服强度，εp0为参考应变，δp0为参考应变率，m和n为材料常数。

用弹体表面压力函数代替靶体对弹体的作用，弹体各节点的正压力函数可以表示为[6]。

其中，vI表示节点的速度矢量，n表示弹体表面在节点处向外的法向方向。

2 木材侵彻建模

2.1 试验选材

兴安落叶松木材纹理通直，胀缩性小，冲击韧性好，顺压及抗弯强度高，劈裂强度及顺纹抗压强度中等以上，不翘曲、开裂，抗弯强度、弹性模量和硬度等性质适中，耐腐朽和虫蛀，耐磨损，握钉力较强，油漆性能良好。且兴安落叶松木材重而坚实，木材工艺价值高，是电杆、枕木、桥梁、矿柱、车辆、建筑等优良用材。同时，兴安落叶松树势高大挺拔，冠形美观，根系十分发达，抗烟能力强，是优良的园林绿化树种[7]。

基于其上述特性，选择兴安落叶松为侵彻试验的靶体。靶体规格为底面半径0.25 m，厚度0.05 m，利用pro/E软件对靶体的顺纹状态进行建模，靶体的相关参数如表1[8]：

2.2 侵彻试验仿真

2.2.1 构建模型

本试验用镍铬钢GH600作为侵彻弹体，其规格为一个半径为0.05 m的球体，通过实验表明，随着弹体撞击速度从小逐渐增大，对靶体的冲击效果从靶体凹陷、靶体侵入一直到靶体贯穿，以撞击靶体的速度为500 m/s为例，研究冲击过程总靶体的动态变化。其中镍铬钢的试验相关物理特性参数如表2[9]。

表1 兴安落叶松物理特性参数Table 1 Physical properties of Larix wood

表2 镍铬钢GH600的物理特性参数Table 2 Physical properties of nickel chrome steel GH600

在本试验中，将弹体(镍铬钢球)约束为刚体，对靶体兴安落叶松而言，尽管木材是各向异性的，但是在试验中的边界条件是对称的，且选择的靶体试件同样是一个轴对称图形，并对其自由度进行了约束，所以为了便于观察与分析，试验中取靶体的一半进行建模仿真[10-13]，用靶体的一半与整个弹体构造试验模型，试验数据采样时间间隔为4e-5s（见图1）。

图1 侵彻模型Fig.1 Penetration model

本次试验的主要研究对象为靶体，在利用Abaqus软件进行分析与仿真时，共为靶体加了260个种子，将其分为了36 000个网格，并呈现中间处最密，越往外越疏的分布状态。

2.2.2 侵彻过程

在侵彻过程中，设定钢弹(弹体)以500 m/s的速度垂直于靶体试件(沿Z轴正方向)打入靶体。我们用仿真软件Abaqus对侵彻后的靶体破坏情况进行了仿真，并得到了被侵彻后的靶体应力云图（见图2）。

图2 靶体侵彻面应力云图Fig.2 Stress cloud map of target body penetration surface

2.3 结果与分析

2.3.1 系统内能与动能

系统的内能与动能变化过程见图3、图4。

图3 系统动能随时间变化Fig.3 Changes of system kinetic energy with time

图4 系统内能随时间变化Fig.4 Changes of system internal energy with time

在侵彻过程中，随着侵彻程度的加深，因为弹体被约束为刚体，认为弹体的动能逐渐转变为靶体的应变能，由于摩擦与损耗，最终转变为靶体的内能。

2.3.2 各方向接触力

利用Abaqus商业软件的后开发分析功能，输出靶体XYZ轴3个方向的接触力随时间推进的变化情况，如图5。在图中可以明显观察到，平行于靶体的剖切面(Y轴方向)的接触力变化幅度不大，而弹体的运动方向与垂直于剖切面方向(Z轴方向、X轴方向)的接触力总体上呈现明显增大的趋势，且弹体运动方向上的接触力波动较大，X轴方向的接触力也有明显的波动，这与木材的各项异性、粘滞性有关。

图5 XYZ轴方向接触力随时间变化Fig.5 Changes of contact forces of axis direction with time

2.3.3 位移随时间的变化

沿Y轴方向依次取同一平面的5个点node250，node257，node265，node2308，node2321，输出5个点的位移时间图像（见图6）。图中，刚开始靶体未被破坏之前各节点位移较为平稳，被破坏后，各节点位移随时间推进总体呈上升趋势，且变化率逐渐增大，其中越接近侵彻中心位移的变化越大。

图6 位移随时间变化Fig.6 Changes of displacement with time

2.3.4 同一路径上应力的比较

在同一平面(X-Y平面)上依次选取 node546-node39-node-2344-node266-node259- node348-node241-node83 8点，以这5点为一个路径，输出在此路径上最大应力的变化，如图7。图中，越接近侵彻中心的点应力越大，远离侵彻中心，应力总体呈变小趋势，但变化率不同，与木材的各向异性有关。

图7 同一路径上应力的变化Fig.7 Changes of stress on the same path

3 结 论

通过进行的仿真模拟试验分析，在球形钢弹侵彻兴安落叶松靶体的过程中，系统的动能逐步转变为应变力，最后转换为系统内能；侵彻过程中，靶体在弹体运动方向上的接触力最大，由于木材各向异性的原因，波动非常强烈，垂直于弹体运动方向的接触力较小，且变化趋势不大；靶体位移一开始较为平稳，被破坏后随时间逐渐变大，且变化率越来越大，其中接近侵彻中心的位移变化最大，最早，说明靶体从侵彻中心处最先开始被破坏；且侵彻中心处靶体的应力最大，越远离侵彻中心最大应力越小，但变化不平均、不对称。

通过本次试验，对兴安落叶松被球形弹丸侵彻时自身的动态性能有了一个初步的定量分析，为木材抗球形弹丸侵彻这一课题提供了一定的参考依据。

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Simulation study of wood penetration performance based on Abaqus

ZHANG Qiu-shi1, LI Shu-sen1, GU Zhi-xin1, ZHANG Si-qi2, GAO Jing-zhou1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China; 2. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China)

By using cavity-expansion theory, the dynamic process of spherical steel bullet penetrating wood was simulated with Abaqus and its subroutine (second development related feature). The tested bullet for the penetration process in the experiment was nickelchromium steel bullet, the selected target body was made of larch wood. In this experiment, the bullet was restricted as a rigid body, and the boundary and the freedom of the target were also restricted. After the experiment, the characteristic relative curves on different nodes were obtained by processing the experimental data with the subroutine of Abaqus. After the analysis of the curves, the variations of the energy, displacement, contact force and stress of wood during the process of penetration were obtained, which provide basis for in-depth study of wood penetration performance.

wood penetration performance; cavity expansion theory; fi nite element method; simulation

S781.29

A

1673-923X(2014)01-0125-04

2013-09-20

哈尔滨市科技创新人才研究专项基金项目（优秀学科带头人）（2012RFXXG007），东北林业大学学位与研究生教育教学改革研究基金项目（JGXM_XJ_2012003）

张秋实（1989-），男，山东邹平人，硕士研究生，研究方向：农业与林业机械

李树森（1963-），男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，博士生导师；研究方向：农业与林业机械，机械结构有限元，现代机械设计理论与方法等；E-mail：lishusenzp@126.com

[本文编校：吴 毅]