垫块结构对PELE横向效应的影响

徐立志,杜忠华,王德胜,温瑞青,胡云超

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094;2.首钢长白机械厂,河北 秦皇岛 066311)



垫块结构对PELE横向效应的影响

徐立志1,杜忠华1,王德胜2,温瑞青2,胡云超2

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094;2.首钢长白机械厂,河北 秦皇岛 066311)

为了研究垫块结构对PELE侵彻钢筋混凝土靶开孔尺寸的影响,在分析侵彻过程受力情况的基础上建立了工程模型,利用数值仿真和试验研究的方法分析了具有不同压力角垫块结构的PELE侵彻钢筋混凝土靶,与未添加垫块结构PELE侵彻钢筋混凝土靶进行了对比分析,工程模型对垫块压力角的计算结果与试验结果吻合较好。结果表明:垫块的压力角大小对PELE侵彻钢筋混凝土靶的横向效应影响显著,且存在最优压力角;添加垫块并且改变压力角大小可以增强PELE的横向效应;具有45°压力角的垫块结构和未添加垫块的PELE侵彻钢筋混凝土的作用机理相差较大。

钢筋混凝土靶;侵彻;横向效应;垫块;压力角

横向增强型侵彻体(penetratorwithenhancedlateraleffect,PELE)是一种主要由壳体和装填物两部分组成的新型侵彻体,借助于高密度壳体良好的侵彻能力和低密度装填物较好的储能性能,当PELE与目标相互作用时侵彻能力强的壳体先于侵彻能力差的装填物侵入目标靶,将装填物挤压在壳体和目标靶之间,随着侵彻深度不断加深,装填物不断增大的压力使周围的壳体膨胀,同时装填物储存一定的势能。当侵彻体穿透目标靶的瞬间,装填物存储的势能沿径向释放,使壳体形成大量破片,形成靶后杀伤。

在城区作战中,大口径PELE主要应用于对砖墙、混凝土以及钢筋混凝土等目标的开孔破坏。目前,PELE的研究主要集中在侵彻金属薄靶的机理及影响因素等方面[1-2],对PELE侵彻混凝土及钢筋混凝土靶的研究较少。文献[3-4]主要通过数值模拟和试验对PELE侵彻钢筋混凝土靶的破坏现象及影响因素进行了研究;文献[5]研究分析了PELE侵彻钢筋混凝土的作用机理,建立了三阶段理论模型。上述研究均将PELE模型简化为壳体和装填物两部分,而本文在上述研究的基础上,对添加垫块以及垫块结构对PELE横向效应的影响进行了研究分析。在建立具有垫块结构PELE侵彻钢筋混凝土靶工程模型的基础上,通过试验和仿真相结合的方法,对垫块结构的影响进行了分析并对工程模型进行了验证。

1　工程模型的建立

PELE的独特结构决定了弹靶作用过程中壳体不仅受轴向力,同时受装填物的径向挤压作用力。由于弹靶撞击属于动态力学范畴,因此装填物受壳体和目标靶的挤压是动态压缩变形,撞击形成的应力波在装填物内多次反射[6]。添加垫块后会使弹靶之间的应力波相互作用变得更加复杂,为简化PELE侵彻钢筋混凝土靶的工程模型,作出如下假设:

①混凝土材料为弹性可压缩材料,在冲击过程中,混凝土介质响应方向与弹表面的外法线方向重合;壳体、装填物和垫块均为理想弹塑性材料,忽略材料在侵彻过程中的体积变化。

②钢筋混凝土靶和素混凝土靶的性能相差较大,因此将钢筋与混凝土材料的性能综合到一起,看成是一种材料,等效出混凝土的材料参数。

③忽略弹丸在侵彻过程中的质量损失和侵彻过程中弹靶之间的摩擦,且整个冲击贯穿过程为绝热过程。

设弹丸以初始速度v0垂直侵彻厚度为b的钢筋混凝土靶,靶板、壳体、装填物及垫块的密度分别为ρt,ρi,ρk,ρf;弹丸和垫块的结构尺寸分别为长度L0、外径D0、内径D1、垫块厚度l和垫块锥台厚度h,如图1所示,其中垫块的压力角为母线与轴线所成的锐角β。

图1　结构示意图

1.1受力分析

在开坑阶段[7],由于PELE添加了垫块结构,可将PELE看作平头动能弹侵彻钢筋混凝土靶模型,如图2(a)所示。根据霍普金森碰撞理论[6],可得撞击产生的接触压应力σc和接触面的速度vc:

(1)

式中:c0i和c0t分别为弹丸和靶中的波速。

在该阶段,除了接触压应力外,还存在与剪应力τxr平衡的压应力σq;其中剪应力的强度在xt=x处是屈服剪应力,在xt=b处剪应力值为0。设其值沿x方向线性变化[6],则由力的平衡关系得:

(2)

由此可以求得:

式中:τs为目标靶的动态屈服应力。

在挤凿冲塞阶段,存在与剪应力τxr1和τxr2平衡的压应力,如图2(b)所示,即装填物和壳体对目标靶的压应力σqk和σqi,图中,ht为靶后崩落深度。由力的平衡关系可得:

(3)

图2　弹靶作用模型

弹丸对目标靶的剪切冲塞过程可以看作由无数个静态瞬间组成,每个静态瞬间可以认为σqk=σqi,由此可以解得:

1.2轴向剩余速度

在开坑阶段,弹丸在接触应力和挤凿剪应力作用下减速,根据牛顿定律可得弹丸的运动方程:

(4)

式中:m为弹丸质量。

由初始条件x=0,v=v0,对式(4)进行积分得第1阶段弹丸任意时刻的速度:

在挤凿冲塞阶段,弹丸和混凝土塞块共同运动,根据牛顿定律可以得弹丸的运动方程:

(5)

式中:mz为弹丸和塞块质量和。

由初始条件x=x1,v=vr1，其中,vr1为第1阶段弹丸轴向剩余速度,对式(5)进行积分得第2阶段弹丸任意时刻的速度:

当x=b时,可以求得弹丸的轴向剩余速度。

1.3开孔尺寸

弹靶之间相互作用产生的压应力使目标靶表面形成近似的锥形坑。根据弹丸侵彻混凝土靶面成坑机理分析[8],可得弹坑的截面尺寸为

(6)

式中:μt为靶板材料的泊松比,r为径向距离,F为弹丸的轴向压力,σr为靶板自由表面径向应力。

装填物变形示意图如图3所示。图中,l0,zk,xk,yk分别为装填物长度、减少长度、未变形长度和已变形长度;Ak2为装填物变形后截面积,Ak1为装填物变形前截面积。

图3　装填物变形示意图

式中:t1为开坑阶段作用时间,tf为弹丸出靶时间,λ为已知的无量纲量[7]。

图4　添加垫块后装填物变形示意图

靶板塞块的形成可以等价为轴对称条件下的混凝土靶板的冲切强度问题,设混凝土材料的单轴抗拉强度和单轴抗压强度分别为ft,fc,令η=fc/ft。按照双剪切应力三参数混凝土强度理论对靶板的冲切强度问题[9],经过推导得靶后崩落区尺寸为

式中:ht为靶后崩落深度,φ为混凝土背面弹坑半锥角。

2　数值模拟

通过LS-DYNA3D软件,对具有不同垫块结构的PELE侵彻钢筋混凝土靶进行数值模拟。如图1所示,弹丸内、外径分别为80mm和105mm,弹体长320mm,装填物长270mm,后端底厚20mm,垫块厚30mm。钢筋混凝土靶板为2m×2m×0.24m,钢筋的分布情况如图5所示,钢筋直径为12mm,含筋率为2.83%。建立1/4模型,对称面设置对称约束,非对称边界设置固定边界约束。建模时壳体、装填物、垫块和混凝土的单元类型均采用SOLID164,网格单元形状为八节点的六面体;钢筋的单元类型采用BEAM161,网格划分采用可以精确描述结构边界运动的Lagrange法。

图5　钢筋混凝土靶结构示意图

为了研究垫块压力角对PELE横向效应的影响规律,设计了5种不同压力角的垫块并通过LS-DYNA对其进行数值仿真,主要从靶板开孔情况和弹丸的轴向剩余速度2个方面来分析PELE的横向效应和侵彻能力,得出其影响规律。为了排除垫块材料对结果的影响,在分析压力角的影响情况时,垫块材料选用45#钢,其他组件的材料参数及材料模型如表1所示,其中,ρ为密度,E为弹性模量,μ为泊松比。

表1　材料模型和材料参数

2.1不同压力角垫块的数值模拟

表2给出了靶板的开孔情况随垫块压力角的变化情况,其中,ai和bi分别代表开孔的横向和纵向尺寸,i=1,2,3分别代表靶前、通孔和靶后情况。可以发现:靶板的通孔尺寸在压力角为45°时出现峰值,之后随着压力角的增大而减小。图6给出了壳体轴向剩余速度随压力角的变化情况,其中,vr为弹丸轴向剩余速度。易知:随着压力角的增大,壳体轴向剩余速度不断减小。垫块压力角从30°到45°时速度变化量要大于压力角从45°到60°的速度变化量。由此可以发现垫块压力角为45°时,弹丸的轴向动能更多地转化为径向能量,使钢筋混凝土靶的开孔尺寸变大,该现象与靶板的开孔情况相吻合。而垫块压力角为60°时,壳体轴向速度减小,这主要由于垫块的承载能力减弱导致弹丸的侵彻能力降低。

表2　开孔情况随压力角的变化

图6　轴向剩余速度随压力角的变化

2.2添加与未加垫块结构PELE的数值模拟比较

为了验证垫块结构对PELE横向效应的影响,进行了压力角为45°垫块和未添加垫块PELE的数值模拟对比研究。表3给出了2种结构PELE开孔情况,压力角为45°垫块结构PELE侵彻靶板的通孔尺寸明显优于无垫块结构的情况。图7给出了压力角为45°垫块和无垫块结构PELE壳体的轴向剩余速度随时间的变化,从图中变化趋势可以看出，压力角为45°垫块结构的PELE与靶板的作用时间要比无垫块结构的时间短,并且壳体的轴向剩余速度要大于后者,说明添加压力角为45°的垫块有利于改善PELE的侵彻能力。图8通过数值模拟给出了2种结构某一时刻的变形形态,可以发现2种结构壳体的变形机理相差较大。

图7　轴向速度随时间变化

弹丸结构a1/mmb1/mma2/mmb2/mma3/mmb3/mm45°垫块530580385385740780无垫块520560355355760790

3　试验验证及结果对比分析

为了研究垫块结构对PELE横向效应的影响,通过试验对其影响因素进行了探究。试验采用105mm滑膛炮,采用分装式药筒,通过改变发射药量控制弹丸速度。在距离炮口200m处放置2m×2m×0.24m的钢筋混凝土靶,采用网孔靶测量弹丸速度,在钢筋混凝土靶的一侧布置高速摄像仪,拍摄弹丸侵彻目标靶的整个过程。试验布置如图9所示。

3.1垫块压力角对横向效应的影响

为了研究垫块压力角对PELE横向效应的影响,共进行了3组试验,压力角分别为30°,45°,60°,每组进行2发试验,通过调整发射药量,使弹丸的着靶速度为(720±15)m/s。试验结果如表4所示。分析试验结果可以发现,在其他条件相同而着靶速度相差不大的情况下,采用不同压力角的垫块对PELE的开孔效果产生了显著影响,当垫块的压力角为45°时,钢筋混凝土靶的通孔尺寸均大于压力角为30°和60°的垫块。分析试验结果可以发现,垫块压力角对PELE的横向效应存在最优角度。

表4　不同压力角垫块的试验结果

图10为不同压力角垫块PELE侵彻钢筋混凝土通孔尺寸的理论计算、数值模拟和试验结果对比。其中,D为ai和bi的平均尺寸。可以发现靶板的通孔尺寸三者之间具有很好的一致性,且在垫块压力为45°时,通孔尺寸具有最大值。靶板的靶后开孔尺寸三者之间的吻合尚可,其误差在20%范围之内,试验及仿真结果验证了理论计算结果。而靶板的前开孔尺寸三者之间相差较大,这主要由于工程模型在分析弹丸的开坑阶段将弹丸视为平头弹处理,未考虑垫块压力角的影响;同时数值模拟对混凝土崩落现象的仿真效果较差,导致前开孔尺寸较小。

图10　理论计算、数值模拟和试验结果对比

3.2添加与未加垫块结构PELE的试验比较

为了研究添加垫块结构的PELE是否更利于其横向效应,进行了2组对比试验,分别为具有压力角为45°垫块的PELE和未添加垫块结构的PELE,每组试验进行2发试验,通过发射药量控制弹丸的着靶速度使其达到(720±15)m/s。试验结果如表5所示。

表5　不同弹丸结构的试验结果

通过2组试验结果的对比可以发现,添加垫块结构的PELE的横向效应明显优于未添加垫块结构的效果。通过对回收的破片的变形情况分析可以发现,如图11、图12所示,是否添加具有压力角的垫块会影响PELE在侵彻钢筋混凝土靶过程中的作用机理,该现象与数值模拟的情况相一致,验证了本文工程模型的变形机理。未添加垫块的PELE在侵彻过程中装填物的变形情况类似于泰勒撞击模型,从而使壳体的膨胀变形类似“喇叭”状,向外翻卷;而添加具有压力角垫块结构的PELE在侵彻钢筋混凝土的过程中,壳体在受装填物的挤压变形外,还会受垫块分解的径向力作用使壳体的膨胀变形不同于前者,后者壳体破片发生前段外翻变形,中间部分发生类似“腰鼓”状变形。后者壳体前段的外翻变形,使壳体和靶板的接触面积增大,更利于靶板的冲塞;同时,后者壳体中部的“腰鼓”膨胀变形会挤压靶板,更利于开孔。

图11　未添加垫块的PELE破片

图12　加45°压力角垫块的PELE破片

4　结论

本文建立了具有垫块结构PELE侵彻钢筋混凝土靶板的工程模型,数值模拟和试验的对比结果研究表明:

①垫块结构的压力角对PELE侵彻钢筋混凝土靶的横向效应影响显著,并且存在最优压力角。

②具有45°垫块结构和未添加垫块结构的PELE侵彻钢筋混凝土的作用机理相差较大,前者出现“腰鼓”膨胀变形,而后者呈“喇叭”状变形。前者壳体的变形形态与本文的工程模型机理相吻合。

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InfluenceofBlockStructureonLateralEffectofPELE

XULi-zhi1,DUZhong-hua1,WANGDe-sheng2,WENRui-qing2,HUYun-chao2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2.ShougangChangbaiMachinaryFactory,Qinhuangdao066311,China)

TostudytheinfluenceofblockstructureonPELEpenetratingreinforcedconcretetargets,thestressintheprocessofpenetrationwasanalyzed,andthetheoreticalmodelwasestablished.Byutilizingthemethodsofnumericalsimulationandtest,PELEaddedwithblockofdifferentpressure-anglespenetratingreinforcedconcretetargetswasanalyzed,whichwascomparedwiththePELEwithoutblock.Thepressure-angleobtainedbytheoreticalmodelagreeswellwithtestresults.Theresultsshowthatthedifferentpressure-anglesoftheblocksignificantlyinfluencethelateraleffectofPELEpenetratingreinforcedconcretetargets,andthereexiststheoptimumpressureangle.ThelateraleffectofPELEcanbeenhancedbyaddingablockandchangingthepressureangle.ThemechanismofpenetratingreinforcedconcretetargetsofPELEwithblockat45°angleisverydifferentfromthatofPELEwithoutblock.

reinforcedconcretetargets;penetration;lateraleffect;block;pressureangle

2015-09-02

徐立志(1990- ),男,硕士研究生,研究方向为侵彻毁伤。E-mail:13770318390@163.com。

杜忠华(1971- ),男,教授,博士生导师,研究方向为弹药工程及撞击动力学。E-mail:duzhonghua@yahoo.com.cn。

TJ413

A

1004-499X(2016)01-0070-06