预制破片对厚壁圆管的横向高速冲击作用研究

朱桂利， 李伟兵， 王晓鸣 ， 李文彬(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，南京　210094)



预制破片对厚壁圆管的横向高速冲击作用研究

朱桂利， 李伟兵， 王晓鸣 ， 李文彬(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，南京210094)

摘要：为了获得厚壁圆管在横向高速冲击下的响应规律，进行了预制破片冲击圆管试验，得到不同冲击速度作用下圆管的响应模态及侵彻深度，并采用LS-DYNA对整个动态变化过程进行了仿真研究，获得了侵彻过程中预制破片的速度变化规律及圆管壁厚和预制破片长径比对极限穿透速度的影响规律。结果表明侵彻深度与冲击速度线性相关；圆管壁厚在7 mm～8 mm之间时对圆管极限穿透速度影响最大；预制破片长径比低于1.5时，对圆管极限穿透速度有显著影响，但其影响效果随自身的增大而逐渐削弱，当达到3.5左右时极限穿透速度不再变化。

关键词：厚壁圆管；预制破片；高速冲击；极限穿透速度；数值仿真

圆管结构广泛应用于能源、军工和石油化工等领域，其工作状态极度复杂，且内部多有高温或易燃易爆介质，一旦受到冲击破坏，将会对人们的生命财产造成不可估量的损失。因此，圆管在外部冲击作用下的响应问题一直为国内外学者所关注，Jena等[1]分析了管道受冲击作用下形成的断口，发现在撞击区与绝热剪切带之间有一个过渡带，其区域大小取决于撞击角度；Jones等[2]针对管道受冲击后的形变问题，介绍了一种通过理想化局部管道横截面来预测最终实际整体横截面位移的方法；周丽军等[3]研究了自由圆管中心部位受横向冲击时的动力学行为，获得了自由圆管被穿透时子弹的临界速度和临界动能；路国运等[4]仿真研究了自由圆柱壳在侧向冲击时的变形历程和最终的变形模态及能量分配，分析了自由圆柱壳对冲击载荷的响应特点；纪冲等[5]针对固支钢质薄壁圆柱壳受半球头弹体侧向局部冲击问题进行数值模拟，研究表明圆柱壳破坏模式与弹体冲击倾角、冲击速度等因素有关；秦庆华等[6]采用钢塑形假定得出了圆管局部变形和整体弯曲的计算模式，并进行了试验验证。然而，见诸报告针对圆管的试验方法多为重物坠落、轻气枪和落锤冲击等，所采用的子弹冲击速度仅在300 m/s左右甚至更低，这与实际步枪子弹、爆炸破片等冲击圆管的速度有较大差异。

本文针对两端固支的厚壁圆管，试验研究其在预制破片高速横向冲击下的响应情况，分析不同冲击速度对侵彻深度的影响规律，并仿真研究厚壁圆管的高速冲击侵彻过程及其响应特性，找出圆管壁厚及预制破片长径比对厚壁圆管极限穿透速度的影响规律。

1预制破片侵彻厚壁圆管试验研究

1.1试验方案与布置

为了研究厚壁圆管在高速冲击下的动力响应，获取其极限穿透速度和极限穿透能，分析其抗侵彻能力，针对长度800 mm、外径100 mm、壁厚9 mm的圆管，采取表1所示的试验方案进行预制破片侵彻厚壁圆管试验，试验布置示意图如图1所示。

试验圆管材料为45#钢，两端用支座刚性固定在支撑架上，支撑架底部安装有螺栓可调节高度，以便瞄准；采用的圆柱体预制破片由钨合金制成，长度11 mm，直径8 mm，预制破片由14.5 mm弹道枪发射。由于破片直径小于枪管口径，设计了专用弹托以确保破片正常发射，弹托由尼龙车削而成；发射药采用由小粒黑和多45组成的混合火药，通过改变火药混合比例及药量来改变预制破片的发射速度，发射时火药装入药筒，通过弹道枪击针击发底火引燃火药发射破片。图2为试验现场布置图，采用纸靶和六通道测速仪测定预制破片速度，设置了3个纸靶，测试并计算获得预制破片的冲击速度。

表1　试验方案

图1　试验布置示意图Fig.1 Experimental layout diagram

图2　试验现场布置Fig.2 Field experimental arrangement

1.2实验结果与分析

按照表1所示的试验方案，试验获得不同速度预制破片冲击作用下圆管的响应模态，如图3(a)～图3(e)所示。

方案1中，预制破片速度为394 m/s，作用于圆管表面后跳飞，并在圆管表面留有凹坑，这是破片和圆管表面接触后受力不均且冲击能量不足共同导致的；方案2、3和4显示，随着冲击速度的增大，破片在圆管表面开坑并嵌入其中，速度越大嵌入深度越深，当破片速度为551 m/s时，破片已完全嵌入圆管；方案5中，破片速度达到611 m/s，破片直接贯穿圆管，形成规则的侵彻孔，孔径略大于预制破片直径，四周有轻微翻边，破坏模式为冲塞破坏。 因此，认为圆管极限穿透速度在551 m/s至611 m/s之间。

图3　圆管冲击响应模态Fig.3 Response modes of prefabricate fragment impact circular tube

测量获得不同冲击速度对应的侵彻深度L，见表2。随着冲击速度的增大，侵彻深度越深，两者呈正相关,冲击速度为551 m/s时，侵彻深度为9.48 mm，大于圆管壁厚，这是因为圆管发生了塑性变形，当冲击速度达到611 m/s时，圆管被完全贯穿，并有充塞片形成，这时侵彻深度L达到最大值11.92 mm。

表2　不同冲击速度作用下侵彻深度

2预制破片侵彻圆管仿真研究

为了观察预制破片冲击圆管的动态变化过程，分析圆管的响应情况及破片的侵彻特性，进一步精确圆管的极限穿透速度，采用与试验研究一致的圆管对象和研究方案进行预制破片侵彻圆管仿真研究。

2.1有限元模型建立与材料模型选取

仿真采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，采用高速碰撞常用的Lagrange算法，在进行计算的时候，网格往往会发生严重畸变，使得计算难以进行，所以在模拟过程中采用断裂侵蚀机制和畸变侵蚀技术[7]，并将预制破片与圆管直接作用及附近区域的网格加密。由于结构的对称性，建立二分之一有限元模型，如图4所示，在左侧对称边界面上施加对称约束，在右侧圆管边界处施加非反射边界。

图4　有限元模型Fig.4 Finite element models

圆管材料为45#钢，圆柱预制破片为钨合金，由于圆管在冲击载荷的作用下是大变形、高应变率和高温条件下的流变行为，所以采用Johnson-Cook材料模型和GRUNEISEN状态方程来描述其动态响应过程[8]。

Johnson-Cook本构方程式为：

圆管及预制破片对应材料参数如表3所示[9]：

GRUNEISEN状态方程表达的压力表达式为：

(γ0+αμ)E

有限元模型中对应的材料特性参数为，45#钢，C=0.456 9 cm/us，S1=1.49，γ0=2.17，α=0.46；钨合金，C=0.399 cm/us，S1=1.24，γ0=1.54。

表3　材料参数

引入Johnson-Cook失效模型来体现材料的变形及断裂行为。该模型以最大塑性应变来判断材料是否失效，其动态失效应变表达式如下：

式中,σ*为压力和等效应力的比值，即：

σ*=P/σeff

D1，D2，D3，D4，D5为失效参数

2.2仿真结果及其分析

采用上述有限元模型及材料参数，对预制破片高速冲击圆管的过程进行数值仿真。冲击速度与试验研究中测得的破片速度一致，获得圆管在不同速度预制破片冲击作用下的响应情况，如图5所示。在预制破片冲击作用下，圆管主要破坏形式为局部剪切破坏，随着冲击速度增大，圆管外表面翻边现象越发明显，内部逐渐出现鼓包，当冲击速度达到611 m/s时，鼓包与圆管脱离形成充塞块。

图5　圆管响应情况Fig.5 Response of tube

仿真同时获得圆管在不同速度预制破片冲击作用下的侵彻深度，获得了侵彻深度随破片冲击速度的变化规律曲线，并与试验结果进行了对比，如图6所示。仿真结果与试验结果吻合较好，采用此仿真模型及方法模拟预制破片冲击圆管的整个动态过程是可行的。

图6　试验与仿真结果对比Fig.6 Contrast of numerical calculationand experiment onpenetration depth

图7显示了预制破片在侵彻过程中的速度变化。分析方案5的速度变化规律，在预制破片与圆管接触的初始阶段5～15 μs，速度呈线性急剧下降，其加速度在1.89×107m/s2左右，破片动能迅速转换为内能，接触区域温度急剧升高，圆管外层被压垮，实现开坑；随着侵彻过程的进行，从15 μs开始进入稳定侵彻阶段，破片速度下降趋势变慢，其加速度在4.45×106m/s2至9.47×106m/s2之间连续变化，直到65 μs穿透圆管。对比其它4种方案发现，开坑阶段，破片加速度均在2.0×107m/s2左右；而在稳定侵彻阶段，冲击速度越低，破片加速度越大，速度下降趋势越快。

图7　预制破片速度变化规律Fig.7 Change law on the velocity of theprefabricate fragment

2.3管道壁厚对极限穿透速度的影响

极限穿透速度是预制破片穿透圆管所需最小速度，冲击速度低于则无法穿透圆管。在上述5种研究方案基础上仿真得到圆管壁厚δ为9 mm时对应的为606 m/s。保持圆管其它参数不变，仅改变其壁厚δ，数值模拟得到壁厚与极限穿透速度的关系曲线，如图8所示。

图8　极限穿透速度Vu与壁厚δ的关系曲线Fig.8 Relationship between the ultimate velocity and wall thickness

从图8可知，圆管极限穿透速度Vu与壁厚δu总体呈正相关，但极限穿透速度Vu随壁厚δu变化的快慢并不相同：4 mm≤δ<7 mm时,Vu1=29.18+264.7，对应线段斜率为29.1，极限穿透速度Vu随壁厚δ变化较慢；7 mm≤δ<8 mm时，Vu2=88δ-144，对应线段斜率为88，极限穿透速度Vu随壁厚δ的增加急剧上升；8 mm≤δ≤13 mm时，Vu3=52δ+137.7，相应线段斜率为52，壁厚δ对极限穿透速度Vu的影响作用又有所削弱。综合对比发现，圆管较厚时，壁厚δ对极限穿透速度Vu的影响较大，在壁厚δ处于7 mm～8 mm时尤为明显，对圆管进行安全性设计时应优先考虑。

2.4破片长径比对圆管极限穿透速度的影响

保持圆管参数及预制破片质量不变，改变破片直径，以获得不同的预制破片长径比l/d，仿真得到l/d对圆管极限穿透速度Vu的影响规律曲线，如图9所示。

图9　破片长径比与极限穿透速度Vu的关系曲线Fig.9 Relationship between the ultimate velocity and the length-diameter ratio

拟合图9曲线可得:

圆管极限穿透速度与破片长径比总体呈负相关，当l/d为0.704时，Vu为728 m/s，l/d为0.966时，Vu为658 m/s，l/d为1.375时，Vu为606 m/s，变化幅度分别为9.6%、7.9%；而当l/d为2.05时，Vu为550 m/s，l/d为3.26时，Vu为529 m/s，减幅分别为7.5%和3.8%。分析表明，破片长径比低于1.5时对极限穿透速度影响较大，随着l/d的增大其对Vu的影响越来越小，当l/d大于3.5时对Vu已几乎没有影响。

3结论

本文针对厚壁圆管在高速冲击作用下的响应，采用弹道枪发射不同速度的预制破片，研究了不同冲击速度对圆管侵彻深度的影响规律，仿真再现了厚壁圆管的高速冲击侵彻过程及其响应特性，并计算分析了圆管壁厚δ及预制破片长径比l/d对厚壁圆管极限穿透速度Vu的影响规律，得出以下结论：

(1) 预制破片对厚壁圆管的高速冲击过程可分为开坑阶段、稳定侵彻阶段与冲塞阶段，其中开坑阶段破片速度变化快慢相同，到了稳定侵彻阶段，冲击速度越低，衰减越快。

(2) 圆管较薄时，壁厚δ对极限穿透速度Vu影响较小，随着壁厚δ的增大，极限穿透速度Vu随壁厚δ变化而变化的速率明显加快，当壁厚δ在7 mm～8 mm之间时其变化幅度可高达18.6%。

(3) 圆柱形预制破片长径比l/d低于1.5时，对圆管极限穿透速度Vu有显著影响；但其影响效果随自身的增大而逐渐削弱，当l/d达到3.5左右时Vu维持在545 m/s左右不再变化。

参 考 文 献

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Lateral high-velocity impact action of prefabricate fragments on a thick-walled tube

ZHUGui-li,LIWei-bing,WANGXiao-ming,LIWen-bin(ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To get the response law of a thick-walled tube under lateral high velocity impact, tests for prefabricate fragments impacting a circular tube were conducted. The tube’s response modes and penetration depths were obtained under different impact velocities. The whole dynamic process was simulated with LS-DYNA. The velocity change law of prefabricate fragments and the effect laws of wall thickness of tube and length-diameter ratio of fragment on the ultimate penetration velocity were obtained. The results indicated that there is a significant linear correlation between penetration depth and impact velocity; the effect of the wall thickness of 7-8 mm on the tube’s ultimate penetration velocity is the maximum; the effect of the prefabricate fragment’s length-diameter ratio less than 1.5 on the tube’s ultimate penetration velocity is obvious, but its effect gradually decreases with increase in itself; when it reaches 3.5, the ultimate penetration velocity dose not change.

Key words:thick-walled tube; prefabricate fragment; high velocity impact; ultimate velocity;numerical simulation

中图分类号:TA410

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.018

通信作者李伟兵 男，博士，副教授，1982年生

收稿日期：2015-01-23修改稿收到日期：2015-03-12

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11202103)；南理工紫金之星培养基金资助(2013zj-0201)

第一作者 朱桂利 男，硕士，1991年生