兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3543-3561.doi: 10.12382/bgxb.2023.0945
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
李旭1, 刘彦1,2,*(), 闫俊伯1, 时振清1, 王虹富1,3, 许迎亮1, 黄风雷1
收稿日期:
2023-09-18
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
LI Xu1, LIU Yan1,2,*(), YAN Junbo1, SHI Zhenqing1, WANG Hongfu1,3, XU Yingliang1, HUANG Fenglei1
Received:
2023-09-18
Online:
2023-12-30
摘要:
基于超高速深侵彻细观模拟中对大型复杂模型快速生成的需要,提出一种基于材料属性关联和区块划分并行填充的混凝土细观模型构建方法,并基于界面过渡区(ITZ)表征方法的差异化建模验证其在准静态与超高速侵彻条件下的表征能力。研究结果表明:该加速建模方法在建模效率与精确度上具备显著优势,可实现大型复杂形状混凝土构件的快速建模和细观组分的精确占比投放。进一步总结了ITZ实体单元法、无ITZ法和粘结失效接触法3种不同ITZ表征方法的适用条件与材料参数初判标准,不同于准静态模拟中的普遍优越性,超高速侵彻模拟中ITZ实体单元法对侵深与弹坑尺寸的预测效果最佳(偏差小于10%),粘结失效接触法则因未引入应变率效应与易出现数值不稳定现象而在弹坑尺寸预测中表现相对最差。此外,细观模拟中对侵蚀弹体的响应计算和形貌表征与已建立的头部演化高速侵彻模型表现出高度一致性。该研究成果可解决工程实际中的大型复杂细观靶体建模困难,并为超高速深侵彻的细观尺度机理探究提供基础。
中图分类号:
李旭, 刘彦, 闫俊伯, 时振清, 王虹富, 许迎亮, 黄风雷. 基于区块划分并行填充的混凝土细观建模方法及其在弹体超高速侵彻中应用[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3543-3561.
LI Xu, LIU Yan, YAN Junbo, SHI Zhenqing, WANG Hongfu, XU Yingliang, HUANG Fenglei. The Meso-scale Modeling Method for Concrete Based on Block Division and Parallel Filling and Its Application in High-speed Penetration[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3543-3561.
编号 | 骨料占 比/% | 粒径分 布/mm | 骨料粒径范围/mm | ||
---|---|---|---|---|---|
5~10 | 10~20 | 20~40 | |||
C_40_10 | 40 | 5~10 | 40 | ||
C_40_20 | 40 | 5~20 | 16.6 | 23.4 | |
C_40_40 | 40 | 5~40 | 9.1 | 12.8 | 18.1 |
表1 各配方中不同粒径骨料的体积分数
Table 1 Volume fraction of aggregate with different particle sizes in each formula%
编号 | 骨料占 比/% | 粒径分 布/mm | 骨料粒径范围/mm | ||
---|---|---|---|---|---|
5~10 | 10~20 | 20~40 | |||
C_40_10 | 40 | 5~10 | 40 | ||
C_40_20 | 40 | 5~20 | 16.6 | 23.4 | |
C_40_40 | 40 | 5~40 | 9.1 | 12.8 | 18.1 |
区块数 | CPU数 | 单元尺寸/mm | T/s | χ |
---|---|---|---|---|
1×1×1 | 1 | 0.8 | 984 | 1 |
1.0 | 1205 | 1 | ||
1.5 | 1381 | 1 | ||
2×2×2 | 3 | 0.8 | 281 | 3.50 |
1.0 | 365 | 3.30 | ||
1.5 | 500 | 2.76 | ||
5 | 0.8 | 224 | 4.39 | |
1.0 | 277 | 4.35 | ||
1.5 | 396 | 3.49 | ||
8 | 0.8 | 177 | 5.56 | |
1.0 | 198 | 6.09 | ||
1.5 | 293 | 4.71 | ||
3×3×3 | 3 | 0.8 | 336 | 2.93 |
1.0 | 382 | 3.15 | ||
1.5 | 571 | 2.42 | ||
5 | 0.8 | 159 | 6.19 | |
1.0 | 209 | 5.77 | ||
1.5 | 445 | 3.10 | ||
12 | 0.8 | 145 | 6.79 | |
1.0 | 183 | 6.58 | ||
1.5 | 225 | 6.14 | ||
27 | 0.8 | 103 | 9.55 | |
1.0 | 135 | 8.93 | ||
1.5 | 192 | 7.19 |
表2 区块划分并行填充细观模型建模方法的生成效率对比(C_40_40)
Table 2 Generation efficiency comparison of block division and parallel fillingmeso-scale modeling method (C_40_40)
区块数 | CPU数 | 单元尺寸/mm | T/s | χ |
---|---|---|---|---|
1×1×1 | 1 | 0.8 | 984 | 1 |
1.0 | 1205 | 1 | ||
1.5 | 1381 | 1 | ||
2×2×2 | 3 | 0.8 | 281 | 3.50 |
1.0 | 365 | 3.30 | ||
1.5 | 500 | 2.76 | ||
5 | 0.8 | 224 | 4.39 | |
1.0 | 277 | 4.35 | ||
1.5 | 396 | 3.49 | ||
8 | 0.8 | 177 | 5.56 | |
1.0 | 198 | 6.09 | ||
1.5 | 293 | 4.71 | ||
3×3×3 | 3 | 0.8 | 336 | 2.93 |
1.0 | 382 | 3.15 | ||
1.5 | 571 | 2.42 | ||
5 | 0.8 | 159 | 6.19 | |
1.0 | 209 | 5.77 | ||
1.5 | 445 | 3.10 | ||
12 | 0.8 | 145 | 6.79 | |
1.0 | 183 | 6.58 | ||
1.5 | 225 | 6.14 | ||
27 | 0.8 | 103 | 9.55 | |
1.0 | 135 | 8.93 | ||
1.5 | 192 | 7.19 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|
λ1 | 0 | η1 | 0 | a0 | 0.4426fc |
λ2 | 8.0×10-6 | η2 | 0.25 | a1 | 0.5698 |
λ3 | 2.4×10-5 | η3 | 0.62 | a2 | 0.02516/fc |
λ4 | 4.0×10-5 | η4 | 0.84 | a0y | 0.2797fc |
λ5 | 6.0×10-5 | η5 | 0.97 | a1y | 0.8989 |
λ6 | 8.7×10-5 | η6 | 1.00 | a2y | 0.0685/fc |
λ7 | 2.0×10-4 | η7 | 0.83 | a0f | 0 |
λ8 | 3.0×10-4 | η8 | 0.69 | a1f | 0.5698 |
λ9 | 6.0×10-4 | η9 | 0.47 | a2f | 0.02516/fc |
λ10 | 1.0×10-3 | η10 | 0.33 | ||
λ11 | 3.0×10-3 | η11 | 0.15 | ||
λ12 | 0.01 | η12 | 0.008 | ||
λ13 | 10 | η13 | 0 |
表3 K&C模型的参数修正值
Table 3 Parameter modification values of K&C model
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|
λ1 | 0 | η1 | 0 | a0 | 0.4426fc |
λ2 | 8.0×10-6 | η2 | 0.25 | a1 | 0.5698 |
λ3 | 2.4×10-5 | η3 | 0.62 | a2 | 0.02516/fc |
λ4 | 4.0×10-5 | η4 | 0.84 | a0y | 0.2797fc |
λ5 | 6.0×10-5 | η5 | 0.97 | a1y | 0.8989 |
λ6 | 8.7×10-5 | η6 | 1.00 | a2y | 0.0685/fc |
λ7 | 2.0×10-4 | η7 | 0.83 | a0f | 0 |
λ8 | 3.0×10-4 | η8 | 0.69 | a1f | 0.5698 |
λ9 | 6.0×10-4 | η9 | 0.47 | a2f | 0.02516/fc |
λ10 | 1.0×10-3 | η10 | 0.33 | ||
λ11 | 3.0×10-3 | η11 | 0.15 | ||
λ12 | 0.01 | η12 | 0.008 | ||
λ13 | 10 | η13 | 0 |
试验类型 | 试块尺寸/ mm | 试块强度/ MPa | 等效强度a/ MPa | 砂浆强度b/ MPa | 骨料强度/ MPa | ITZ强度/ MPa | 骨料粒径/ mm | 骨料占比/ % | 来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单轴压缩 | 150×150×150 | 51.2 | 51.2 | 37 (31) | 120 | 19 | 5~20 | 40 | 本文 |
单轴压缩 | 100×100×100 | 48.4 | 46.0 | 36 (33) | 120 | 22 | 4~8 | 20 | 文献[36] |
三轴压缩 | ϕ55.5×110 | 60.2 | 68.7 | 50 | 150 | 38 | 5~14 | 35 | 文献[37] |
劈裂抗拉 | 150×150×150 | 2.38 | 36 | 80 | 28.8 | 5~40 | 40 | 文献[38] |
表4 准静态力学试验试件参数
Table 4 Specimen parameters for quasi-static mechanical test
试验类型 | 试块尺寸/ mm | 试块强度/ MPa | 等效强度a/ MPa | 砂浆强度b/ MPa | 骨料强度/ MPa | ITZ强度/ MPa | 骨料粒径/ mm | 骨料占比/ % | 来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单轴压缩 | 150×150×150 | 51.2 | 51.2 | 37 (31) | 120 | 19 | 5~20 | 40 | 本文 |
单轴压缩 | 100×100×100 | 48.4 | 46.0 | 36 (33) | 120 | 22 | 4~8 | 20 | 文献[36] |
三轴压缩 | ϕ55.5×110 | 60.2 | 68.7 | 50 | 150 | 38 | 5~14 | 35 | 文献[37] |
劈裂抗拉 | 150×150×150 | 2.38 | 36 | 80 | 28.8 | 5~40 | 40 | 文献[38] |
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表5 基于ITZ实体单元表征的不同端部摩擦条件单轴压缩细观模拟损伤对比
Table 5 Comparison of damage nephograms of uniaxial compression meso-scale simulation under different end friction conditions based on ITZ solid element method
|
材料 | 密度/(kg·m-3) | 泊松比 | 抗压强度/MPa |
---|---|---|---|
骨料 | 2660 | 0.2 | 120 |
砂浆 | 2200 | 0.2 | (33, 25, 54)* |
ITZ | 1800 | 0.2 | 16.5 |
混凝土 | 2356 | 0.2 | 37 |
表8 混凝土细观组分的材料参数
Table 8 Material parameters of concrete components
材料 | 密度/(kg·m-3) | 泊松比 | 抗压强度/MPa |
---|---|---|---|
骨料 | 2660 | 0.2 | 120 |
砂浆 | 2200 | 0.2 | (33, 25, 54)* |
ITZ | 1800 | 0.2 | 16.5 |
混凝土 | 2356 | 0.2 | 37 |
材料 | A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|---|
30CrMnSiNi2A | 1587 | 382.5 | 0.245 | 0.020 |
表9 弹体材料的Johnson-Cook模型参数[43]
Table 9 Johnson-Cook model parameters of projectile material[43]
材料 | A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|---|
30CrMnSiNi2A | 1587 | 382.5 | 0.245 | 0.020 |
试验 编号 | 初速/ (m·s-1) | DOP/m | Hc/m | Dc/m | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | 试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | 试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | ||
S3 | 1286 | 0.63 | 0.64 (1.6%) | 0.64 (1.6%) | 0.72 (14.3%) | 0.19 | 0.18 (-5.3%) | 0.20 (5.3%) | 0.22 (15.8%) | 0.71 | 0.64 (-9.9%) | 0.62 (-12.7%) | 0.62 (-12.7%) |
S4 | 1596 | 0.78 | 0.72 (-7.7%) | 0.70 (-10.3%) | 0.76 (-2.6%) | 0.18 | 0.22 (22.2%) | 0.25 (38.9%) | 0.25 (38.9%) | 0.74 | 0.72 (-2.7%) | 0.70 (-5.4%) | 0.67 (-9.5%) |
S5 | 1852 | 0.64 | 0.63 (-1.6%) | 0.63 (-1.6%) | 0.70 (9.4%) | 0.25 | 0.27 (8.0%) | 0.30 (20%) | 0.30 (20%) | 0.81 | 0.78 (-3.7%) | 0.74 (-8.6%) | 0.70 (-13.6%) |
表10 不同混凝土细观模型的靶体损伤模拟结果
Table 10 Damage simulation results of concrete target with different meso-scale models
试验 编号 | 初速/ (m·s-1) | DOP/m | Hc/m | Dc/m | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | 试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | 试验 结果 | 实体单元 法 | 无ITZ法 | 粘结失效 接触法 | ||
S3 | 1286 | 0.63 | 0.64 (1.6%) | 0.64 (1.6%) | 0.72 (14.3%) | 0.19 | 0.18 (-5.3%) | 0.20 (5.3%) | 0.22 (15.8%) | 0.71 | 0.64 (-9.9%) | 0.62 (-12.7%) | 0.62 (-12.7%) |
S4 | 1596 | 0.78 | 0.72 (-7.7%) | 0.70 (-10.3%) | 0.76 (-2.6%) | 0.18 | 0.22 (22.2%) | 0.25 (38.9%) | 0.25 (38.9%) | 0.74 | 0.72 (-2.7%) | 0.70 (-5.4%) | 0.67 (-9.5%) |
S5 | 1852 | 0.64 | 0.63 (-1.6%) | 0.63 (-1.6%) | 0.70 (9.4%) | 0.25 | 0.27 (8.0%) | 0.30 (20%) | 0.30 (20%) | 0.81 | 0.78 (-3.7%) | 0.74 (-8.6%) | 0.70 (-13.6%) |
[1] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.05.007 URL |
[2] |
武海军, 黄风雷, 王一楠, 等. 高速侵彻混凝土弹体头部侵蚀终点效应实验研究[J]. 兵工学报, 2012, 33(1): 48-55.
|
|
|
[3] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2004.04.013 URL |
[4] |
|
[5] |
张伟, 慕忠成, 肖新科. 骨料粒径对混凝土靶抗高速破片侵彻影响的实验研究[J]. 兵工学报, 2012, 33(8): 1009-1015.
|
|
|
[6] |
|
[7] |
章毅, 张湘茹, 吴昊, 等. 混凝土3D细观模型及准静态力学行为分析[J/OL]. 工程力学, 2022(2022-10-25). http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2595.O3.20221024.1603.282.html.
|
|
|
[8] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.11.094 URL |
[9] |
邓勇军, 陈小伟, 姚勇, 等. 基于细观混凝土模型的刚性弹体正侵彻弹道偏转分析[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(3): 377-386.
|
|
|
[10] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2018.05.010 URL |
[11] |
doi: 10.1016/j.dt.2019.04.003 |
[12] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.040 URL |
[13] |
荣誉, 任会兰, 许香照. 弹体高速冲击载荷下钢筋混凝土的破坏行为实验与细观数值模拟[J]. 中国科学:技术科学, 2021, 51(3): 259-271.
|
doi: 10.1360/SST-2020-0486 URL |
|
[14] |
彭永, 卢芳云, 方秦, 等. 弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(11): 58-68.
|
|
|
[15] |
|
[16] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119382 URL |
[17] |
宁建国, 李钊, 马天宝, 等. 动能弹高速侵彻钢筋混凝土靶时弹丸头部质量侵蚀微观机理[J]. 兵工学报, 2021, 42(9): 1809-1818.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.09.001 |
|
|
[18] |
doi: 10.1016/j.ijsolstr.2015.05.002 URL |
[19] |
刘志林, 孙巍巍, 王晓鸣. 基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(4): 162-169, 176.
|
|
|
[20] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.229 URL |
[21] |
doi: 10.1016/j.compscitech.2017.06.015 URL |
[22] |
刘利宝, 李效民, 程昱, 等. 基于摩擦脱粘法三维细观混凝土受压模型[J/OL]. 应用力学学报, 2023(2023-03-01). http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1112.O3.20230228.1544.013.html.
|
|
|
[23] |
doi: 10.1016/S0008-8846(99)00086-1 URL |
[24] |
杨贞军, 黄宇劼, 尧锋, 等. 基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟[J]. 工程力学, 2020, 37(8): 158-166.
|
|
|
[25] |
doi: 10.1016/j.engfracmech.2020.107080 URL |
[26] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.01.040 URL |
[27] |
doi: 10.12989/sem.2011.37.2.197 URL |
[28] |
doi: 10.1061/TACEAT.0001979 URL |
[29] |
|
[30] |
doi: 10.1007/BF02317565 URL |
[31] |
doi: 10.1016/S0734-743X(97)00023-7 URL |
[32] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2017.02.016 URL |
[33] |
|
[34] |
|
[35] |
许迎亮, 刘彦, 闫俊伯, 等. 双装药同步爆炸钢筋混凝土梁毁伤效应[J/OL]. 兵工学报, 2023(2023-07-15). https://doi.org/10.12382/bgxb.2023.0286.
|
|
|
[36] |
|
[37] |
|
[38] |
杜敏, 金浏, 李冬, 等. 骨料粒径对混凝土劈拉性能及尺寸效应影响的细观数值研究[J]. 工程力学, 2017, 34(9): 54-63.
|
|
|
[39] |
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118899 URL |
[40] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.103815 URL |
[41] |
doi: 10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:3(261) URL |
[42] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2018.09.005 URL |
[43] |
武海军, 姚伟, 黄风雷, 等. 超高强度钢30CrMnSiNi2A动态力学性能实验研究[J]. 北京理工大学学报, 2010, 30(3): 258-262.
|
|
[1] | 姚志彦, 李金柱, 齐凯丽, 徐杨, 黄风雷. 长杆弹超高速侵彻砂浆靶临界速度的实验和计算[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1578-1588. |
[2] | 蔡尚晔, 姜春兰, 毛亮, 王在成, 胡榕, 叶胜. 含孔隙富铝聚四氟乙烯/铝含能材料冲击温升规律[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 225-233. |
[3] | 高飞, 张国凯, 纪玉国, 陈建宇. 卵形弹体超高速侵彻砂浆靶的响应特性[J]. 兵工学报, 2020, 41(10): 1979-1987. |
[4] | 王芳, 蒋建伟, 门建兵. 钨铜射流成形的细观数值模拟分析[J]. 兵工学报, 2018, 39(2): 245-253. |
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