钢筋直径和分布对钢筋混凝土靶抗侵彻性能的影响

焦志刚，黄煜唯,夏玉学

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.北京航天长征机械设备制造有限公司，北京 101111)

混凝土作为当今世界上应用最广、用量最大且最重要的建筑结构材料，由于其具有良好的耐久性、耐火性、较好的可浇注性等优良性能和来源广泛等特点[1]，在军事和民用方面都有极大的应用。对于依靠厚实钢筋混凝土结构进行防护的目标，侵彻是各种弹药对该类目标主要毁伤手段之一[2]。利用战斗部有效打击地下工事,或提高地下工事的防护能力,一直受到广泛关注。穆朝民等[3]运用数值模拟方法研究了弹丸对钢筋混凝土中钢筋交汇处的侵彻效应，结果表明，配筋直径和网眼尺寸对侵彻深度的影响较大。咸玉席[4]通过数值模拟方法研究了弹丸撞击下钢筋混凝土结构的安全计算与评估，结果表明，曲率的存在对钢筋混凝土结构的抗冲击能力有利。刘涛[5]运用实验方法探索了钢筋混凝土柱的配筋新模式,结果表明，新型配筋模式的混凝土柱具有较高的强度和变形能力。周宁等[6]运用实验方法研究了配筋结构对弹丸侵彻过程影响，结果表明，网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大。钢筋混凝土模型建立是仿真计算关键技术之一,目前，对钢筋混凝土靶板的建模方法主要有整体式、分离式和组合式三种方法。本文采用分离式的建模方法，运用数值模拟研究钢筋直径和分布对钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能的影响。

1 模型建立及材料参数选取

1.1 几何模型和有限元模型的建立

选取弹丸弹长508mm，直径100mm，头部曲径比CRH=1.68。钢筋混凝土靶尺寸为2000mm×2000mm×300mm,混凝土中间布置两排钢筋网，排间距为150mm，每排钢筋以125mm×125mm形式布置，钢筋直径为12mm；本文采取三维轴对称的方法建立弹靶有限元模型，由于结构的对称性，建立弹靶的1/2几何模型，根据弹丸和靶板的基本尺寸，利用Proe绘图软件建立弹靶三维几何模型,弹靶模型的具体几何参数如图1所示。

图1 弹体和钢筋混凝土靶靶的基本尺寸

在Proe软件中绘制三维几何模型，导入到ANSYS/Workbench中，利用该软件自带的划分网格功能依次对弹靶模型各部分进行网格划分，设置接触并定义约束。SPH(光消粒子流体动力学方法)法是数值模拟中常用的方法，其基本思想是将整个流场的物质离散转化为一系列粒子，这些粒子具有各自的能量、速度、质量特征，然后通过一个核函数的积分进行估值，计算得出不同位置在不同时间的各种动力学量。在AUTODYN中，将弹丸和靶板的Lagrange网格转化为SPH粒子，其中，弹丸和钢筋Lagrange网格采用大小为1mm的粒子转化，混凝土部分Lagrange网格采用大小为2mm的粒子转化，共计64252204个SPH粒子。弹靶板有限元网格如图2所示。

图2 弹靶板有限元模型图

1.2 材料参数选取

弹体材料采用4340钢，钢筋采用1006钢，混凝土为CONC-35MPa。材料参数见表1。

表1 模型材料参数

2 仿真计算结果

在实际工程建筑中,钢筋的粗细与钢筋布置的疏密程度是影响靶板抗侵彻性能的2个主要方面，以下仿真计算仅针对弹丸垂直入侵钢筋孔正中心。

2.1 改变钢筋直径

固定钢筋的排列方式,通过改变钢筋的直径d,对弹丸侵彻钢筋混凝土靶进行一系列数值模拟，结合实际情况，弹丸初速度设定为800m/s。仿真计算主要有以下两类模型：(1)弹丸直径小于钢筋间距(钢筋间距设定为125mm)；(2)弹丸直径大于钢筋间距(钢筋间距设定为96mm)。针对以上两种模型，分别选取直径为6mm、9mm、12mm、15mm和18mm的钢筋。模型1仿真结果如图3所示。

图3 模型1靶板毁伤云图和钢筋破坏情况

从图3中看出，钢筋直径逐渐变大时，由于钢筋与靶板之间的接触面积逐渐变大，钢筋与靶板之间的粘结作用也会逐渐变强，靶板边缘的毁伤情况也不一样，根据钢筋混凝土靶板毁伤云图可知，钢筋直径逐渐变大时，钢筋混凝土靶板被撞击后的毁伤程度逐渐减小，靶板的抗侵彻能力逐渐变大。表2给出了不同钢筋直径下弹丸穿过钢筋混凝土靶板后的剩余速度Vr、剩余动能Er和初始动能E0之比。

表2 模型1弹丸靶后的剩余速度和剩余动能

表2表明，弹丸直径小于钢筋间距时，增大钢筋直径可以提高靶板强度，但弹丸穿过靶板后剩余速度和剩余动能改变量很小。模型2仿真结果如图4所示。

图4 模型2靶板毁伤云图和钢筋破坏情况

从图4可以看出，弹丸直径大于钢筋间距，钢筋直径逐渐变大时，钢筋混凝土靶板被撞击后的毁伤程度逐渐减小，钢筋的破坏程度逐渐减小。表3给出了不同钢筋直径下弹丸穿过钢筋混凝土靶板后的剩余速度Vr、剩余动能Er和初始动能E0之比。

表3 模型2弹丸靶后的剩余速度和剩余动能

从表3可以看出，弹丸直径大于钢筋间距时，通过增大钢筋直径可以提高靶板强度；当弹丸直径从6mm提高到9mm时，弹丸动能多消耗了4%；当弹丸直径提高到18mm时，弹丸动能多消耗了12%。

通过以上结果分析可知，改变钢筋直径可以改变钢筋混凝土靶板的强度，当弹丸直径小于钢筋间距时，改变钢筋直径对钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能影响很小；当弹丸直径大于钢筋间距时，改变钢筋直径对钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能影响较大。

2.2 改变钢筋间距

选钢筋直径为12mm，选用的弹丸尺寸与模型1相同，通过改变钢筋在靶板中排列的疏密程度来改变靶板强度，钢筋间距分别设定为120mm、140mm、160mm、200mm和240mm，对以上模型进行数值模拟计算。仿真结果如图5所示。

图5 靶板毁伤云图和钢筋破坏情况

由图5可知，当钢筋间距逐渐变大时，靶板的毁伤越大，钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力逐渐减小；钢筋距离变大后，受弹丸的冲击力变小，所以钢筋变形程度逐渐减小。

图6为不同钢筋间距时，弹丸穿靶过程速度变化曲线。

图6 弹丸穿靶过程速度变化曲线

由图6可知，弹丸穿靶后的剩余速度分别为652.1m/s、660.2m/s、670.9m/s、685.9m/s和704.8m/s，表明钢筋间距越大，弹丸穿靶后的剩余速度越大，证明钢筋排列间距对钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能有较大影响。

3 结论

(1)弹丸直径大于钢筋间距时，增大钢筋直径，钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能增强，但影响较大；(2)当弹丸直径小于钢筋间距时，增大钢筋直径，钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能增强，且影响较小；(3)增大钢筋间距，钢筋混凝土靶板的抗侵彻性能减弱。