伍星星;刘建湖;张伦平;孟利平;汪俊
【摘 要】[目的]尖头弹侵彻金属板形成花瓣型破口是一种常见的毁伤模式,为分析花瓣型破口的成形过程, [方法]将采用数值仿真手段进行分析.首先,依据前期开展的尖头弹打靶实验及靶板材料力学性能实验,建立弹靶仿真计算模型并确定输入材料参数;然后,利用仿真手段对尖头弹穿甲靶板形成花瓣型破口的过程进行分析,重点探讨花瓣型裂缝路径单元的受力状态;最后,对比分析不同失效准则对破口成型过程的影响.[结果]结果表明:花瓣形成过程十分复杂,主要可分为碟形—隆起变形阶段、尖头弹体扩孔阶段、花瓣型裂缝形成与扩张阶段以及花瓣破口区域整体运动4个阶段;在花瓣型破口成形过程中,裂缝路径处单元应力状态变化复杂,采用常应变失效准则难以预测靶板的花瓣型破口形状,需采用考虑应力三轴度损伤的JC失效模型.[结论]所得成果可为后续花瓣开裂理论评估改进提供一定的分析依据.%[Objectives] The petaling of a ductile metal plate penetrated by a sharp-nosed missiles is a common damage mode. In order to analyze its formation process,numerical simulation is carried out. [Methods] First,a simulation model of striking the metal plate by sharp-nosed missile is established on the ba sis of experiments involving missiles perforating targets,and the material constants are acquired from material mechanical characteristic experiments. The petaling procedure is then studied,as well as the stress states of typical elements in the petaling cracking area. The influence on the simulation results is subsequently contrasted by different failure criteria.[Results] The results show that the petaling process is complex and can be mainly divided into four distinct stages:butterfly heaving,hole enlargement,petal appearance and expansion,and entire movement of damaged region. The stress states of the cracking area are complicated and the petaling shape cannot be sufficiently predicted by the constant strain criterion;this requires the introduction of the JC failure model which considers the influence of stress triaxiality. [Conclusions] The results of this paper can provide references for the modification of typical petaling cracking theory and evaluation.
【期刊名称】《中国舰船研究》
【年(卷),期】降噪咪头2018(013)003
【总页数】8页(P110-117)
【关键词】无纺布折叠机尖头弹;数值仿真;应力三轴度;花瓣型破口;JC失效模型
【作 者】kumool伍星星;刘建湖;张伦平;孟利平;汪俊
【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082
冰点渗透压【正文语种】中 文
【中图分类】U661.43;U674.70
0 引 言HSCSB
花瓣型破口是金属板在强冲击载荷作用下的典型破坏模式之一，迄今为止，国内外已对该破坏模式展开了较多研究。在实验方面，Nurick和Radford［1］对不同药量接触爆炸下的薄板进行了一系列实验，逐步从薄板的凹陷、冲塞毁伤模式观察到了板的花瓣开裂和翻转现象；赵延杰等［2］通过开展近场水下爆炸试验，同样发现了固支圆板花瓣开裂外翻的毁
伤模式；中国工程物理研究院的陈刚等［3］通过开展尖头弹体侵彻实验，研究了不同速度下弹体正穿甲、斜穿甲金属板花瓣开裂毁伤模式。在理论研究方面，Zaid和Paul［4］依据动量理论推导了花瓣撕裂过程中所产生的动力功和弯曲能；Wierzbicki［5］依据 Nurick 和 Radford［1］开展的接触爆炸载荷作用下板的一系列实验，发展了新的花瓣开裂计算模型，并借助CTOD准则，通过对花瓣开裂后的弯曲能和撕裂能进行Hamilton变分计算，求出了花瓣开裂过程中的弯曲能和撕裂能；张振华等［6］根据花瓣弯曲运动模式，计算出了花瓣动能功率，并依据广义Hamilton变分原理（即结构动能减小功率与塑性耗散能增加功率相等），最终求出了花瓣开裂后的弯曲能和撕裂能，其计算结果与 Wierzbicki［5］的基本一致，目前，该计算模型已基本被众多学者认可。在数值仿真方面，国内外众多学者对强冲击载荷下的靶板花瓣开裂模式进行了数值仿真，所得结果与实验结果在现象上基本吻合，但对花瓣成形过程中的机理揭示得较少。李营等［7］借助有限元软件ABAQUS对薄板花瓣型破口形成过程进行了分析，指出花瓣型破口形成过程中裂缝区域应力状态变化复杂，远非传统的单向受拉、双向受拉［8-9］所能描述，必须计及不同应力三轴度下的材料失效准则。但由于该文献中薄板计算模型采用的是Shell单元，该单元的应力三轴度描述区间被限制在［-0.66，0.66］之间，故所揭示的花瓣型破口形成过程具有一定的局限性。
本文将以前期开展的尖头弹侵彻金属靶板实验为依据，针对靶板材料——Q345B钢开展压缩、扭转、拉伸等力学性能实验，获取不同应力三轴度下的材料失效判据。然后，采用Solid单元建立弹体靶板计算模型，从花瓣型破口形成过程、典型区域应力状态、不同断裂准则等方面揭示尖头弹体穿甲金属板花瓣型破口形成过程。
1 尖头弹穿甲金属板实验
尖头弹穿甲金属板实验在南京理工大学的打靶实验场开展。实验中，尖头弹壳体材料为高强度、高硬度的30CrMnSi，与引信材料采用PPS塑料替代；尖头弹弹径92 mm，弹长276 mm，壳体质量3.21 kg，填充物质量1.45 kg，总质量4.66 kg，如图1所示。靶板材料为Q345B钢，厚度为8 mm，尺寸为1 000 mm×1 000 mm，四周边界通过M24螺栓与工装架连接，螺栓间距为150 mm，靶板实际有效面积为700 mm×700 mm。加热片
图1 尖头弹结构尺寸示意图Fig.1 The dimension of sharp-nosed missile
采用测速靶网测量尖头弹穿甲前后的速度，尖头弹入射速度为208 m/s，穿出速度为185 m/s，弹体在穿甲前、后几乎未产生明显的塑性变形。尖头弹体穿透靶板后，形成了典型
的花瓣型开裂毁伤模式，图2所示为Q345B钢靶板模型毁伤模式示意图。由图可见，靶板变形毁伤区域基本集中在弹孔附近，从靶板背面来看，共形成了4块基本对称的花瓣，花瓣裂缝间呈明显的45°倾角，同时由于与尖头弹的相互耦合作用，每块花瓣顶端区域还存在着十分明显的减薄和灼烧现象，单块花瓣基本呈内凹状态，且并未形成明显的外翻现象，这与近场水下爆炸下形成的花瓣开裂模式具有一定的区别。
图2 靶板毁伤模式示意图Fig.2 The damage model of target
2 Q345B钢断裂力学性能实验
为了获取Q345B钢在不同应力三轴度范围内失效的判据，孟利平［10］利用 WDW-100DIII微机控制电子万能试验机开展了标准光滑圆棒、缺口试件拉伸实验及圆柱压缩实验，利用NDW-500III微机控制电子扭转试验机开展了扭转实验，试件模型如图3所示（图中R表示试件缺口半径）。其中，拉伸实验在试件标距段安装引伸计，引伸计标距50 mm，量程25 mm，每组实验均进行了5次重复实验，以保证实验数据的有效性。 图3 实验试件Fig.3 Experiment specimen
考虑到现阶段扭转试件断裂应变尚未建立相对可靠的计算公式，为统一，本文借助有限元手段确定光滑圆棒、缺口试件、扭转试件、压缩试件的失效应变。有限元模型利用ABAQUS软件建立，试件均采用二维轴对称模型，一端固定，另一端施加位移/转角载荷，同时不设置失效判据，当达到试件的实验最大位移或者转角时，取此时试件的最大等效塑性应变为断裂应变。各类试件断裂时刻的等效应变分布如图4所示，试件断裂应变取值如表1所示（表中，扭转试件断裂时刻的角度为45 rad）。
图4 各类试件断裂时刻的等效应变分布云图Fig.4 The equivalent strain distribution of different experiment specimen when fractured
表1 不同试件断裂时刻等效应变值Table 1 The equivalent strain of different experiment specimen when fractured应力三轴度-0.333 0 0.333 0.893 0.556 0.505 0.413位移/mm 8.9—11.2 1.05 2.1 2.3 3.1断裂应变实验结果——1.273 0.791 0.990 1.045 1.140有限元结果—1.439 1.311 0.737 0.936 0.971 1.086
JC失效模型考虑了不同应力三轴度对失效应变的影响，是现阶段穿甲数值仿真分析较理想的材料失效模型。仅考虑应力三轴度影响的JC的表达式如下：
式中：εf为材料等效塑性应变；为应力状态参数，其中P为静水压力，σeff为等效应力，Rσ为应力三轴度。根据实验结果，拟合得到D1=0.697 7，D2=2.781 1，D3=4.597 7。
3 花瓣型破口成形机理仿真分析
3.1 计算模型
根据尖头弹穿甲8 mm金属板实验建立有限元模型（图5），靶板采用Solid单元建立，弹靶碰撞区域网格尺寸为2 mm，其中尖头弹网格数量为19.6万，靶板模型网格数量为13.8万。在计算过程中，弹体壳体和采用共节点方式连接并设置面面侵蚀接触，尖头弹和靶板也采用面面侵蚀接触，接触刚度系数为1.0。内部填充采用弹塑性模型，密度为1 400 kg/m3，弹性模量为60 GPa，屈服强度为30 MPa，失效应变为0.6。
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