兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 4094-4105.doi: 10.12382/bgxb.2024.0275
王纪龙1, 温垚珂1,*(), 刘东旭2, 王会成1, 沈周宇1, 罗小豪3
收稿日期:
2024-04-11
上线日期:
2024-11-26
通讯作者:
基金资助:
WANG Jilong1, WEN Yaoke1,*(), LIU Dongxu2, WANG Huicheng1, SHEN Zhouyu1, LUO Xiaohao3
Received:
2024-04-11
Online:
2024-11-26
摘要:
针对当前防弹插板在枪弹冲击下的力学响应研究尚有不足,采用键基近场动力学方法和传统拉格朗日方法相结合的方式对5.56mm SS109步枪弹侵彻NIJ Ⅲ级SiC/超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)防弹插板这一过程进行数值模拟,并与基于三维数字图像相关法的防弹插板侵彻试验结果对比,验证数值模型的准确性。研究结果表明:弹丸在侵彻防弹插板50μs后速度从810m/s衰减至157.57m/s,防弹插板与弹丸接触的陶瓷片严重碎裂;键基近场动力学方法可以很好地跟踪枪弹冲击陶瓷插板时裂纹的演化过程,SiC陶瓷插板受810m/s的SS109枪弹冲击时产生的放射性径向裂纹在10μs内基本向外扩展完毕,其重度损伤面积在30μs内就基本定型,最终在压力波的复杂作用下产生径向裂纹、环向裂纹以及平行碰撞面的层裂纹;防弹插板背凸量最大值为18.41mm,由于UHMWPE层合板具有正交各向异性,此时背面等效应变以弹着点为中心呈L形分布,发生的位置在鼓包边界约±45°处,等效应力场呈现菱形分布,应力集中发生在菱形的4个角上。
中图分类号:
王纪龙, 温垚珂, 刘东旭, 王会成, 沈周宇, 罗小豪. 基于键基近场动力学对防弹插板在步枪弹侵彻下的力学响应仿真[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4094-4105.
WANG Jilong, WEN Yaoke, LIU Dongxu, WANG Huicheng, SHEN Zhouyu, LUO Xiaohao. Mechanical Response of Body Armor during Rifle Bullet Penetration Based on Bond-based Peridynamic Method[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 4094-4105.
参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 杨氏模量 E/GPa | 断裂能量释放率 Gt/(N·m-1) |
---|---|---|---|
数值 | 3.21 | 420 | 27.3 |
表1 SiC陶瓷ELASTIC_PERI本构参数[12-13]
Table 1 ELASTIC_PERI constitutive parameters for SiC ceramics[12-13]
参数 | 密度ρ/ (g·cm-3) | 杨氏模量 E/GPa | 断裂能量释放率 Gt/(N·m-1) |
---|---|---|---|
数值 | 3.21 | 420 | 27.3 |
部件 | ρ/(g·cm-3) | A/MPa | B/MPa | n | C | m |
---|---|---|---|---|---|---|
被甲 | 8.45 | 90 | 292 | 0.01 | 0.025 | 1.09 |
钢芯 | 7.85 | 792 | 510 | 0.28 | 0.014 | 1.03 |
铅柱 | 11.2 | 14 | 18 | 0.685 | 0.035 | 1.68 |
表2 SS109各部分Johnson-Cook本构参数[15-16]
Table 2 Johnson-Cook constitutive parameters for SS109 parts[15-16]
部件 | ρ/(g·cm-3) | A/MPa | B/MPa | n | C | m |
---|---|---|---|---|---|---|
被甲 | 8.45 | 90 | 292 | 0.01 | 0.025 | 1.09 |
钢芯 | 7.85 | 792 | 510 | 0.28 | 0.014 | 1.03 |
铅柱 | 11.2 | 14 | 18 | 0.685 | 0.035 | 1.68 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 0.97 | AOPT MACF | 3 1 |
Ea/GPa | 70 | Xt/GPa | 3 |
Eb/GPa | 70 | Yt/GPa | 3 |
Ec/GPa | 8 | Zt/GPa | 3 |
νba | 0.006 | Xc/MPa | 2 |
νca | 0.06 | Yc/MPa | 2 |
νcb | 0.706 | Zc/MPa | 2 |
Gab/MPa | 0.05 | Sba/MPa | 700 |
Gbc/MPa | 5 | Sca/MPa | 900 |
Gca/MPa | 5 | Scb/MPa | 9 |
表3 UHMWPE层合板本构参数[18]
Table 3 Constitutive parameters for UHMWPE laminated plates[18]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 0.97 | AOPT MACF | 3 1 |
Ea/GPa | 70 | Xt/GPa | 3 |
Eb/GPa | 70 | Yt/GPa | 3 |
Ec/GPa | 8 | Zt/GPa | 3 |
νba | 0.006 | Xc/MPa | 2 |
νca | 0.06 | Yc/MPa | 2 |
νcb | 0.706 | Zc/MPa | 2 |
Gab/MPa | 0.05 | Sba/MPa | 700 |
Gbc/MPa | 5 | Sca/MPa | 900 |
Gca/MPa | 5 | Scb/MPa | 9 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
T/MPa | 1 | S/MPa | 3 |
EN/(MPa·mm-1) | 70 | ET/(MPa·mm-1) | 3 |
GIC/(MPa·mm) | 70 | GIIC/(MPa·mm) | 3 |
ΔN/mm | 1 | ΔS/mm | 1.27 |
表4 固连断开面面接触option 9参数[19]
Table 4 Bonded contact with separation option 9 parameters[19]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
T/MPa | 1 | S/MPa | 3 |
EN/(MPa·mm-1) | 70 | ET/(MPa·mm-1) | 3 |
GIC/(MPa·mm) | 70 | GIIC/(MPa·mm) | 3 |
ΔN/mm | 1 | ΔS/mm | 1.27 |
试验编号 | 入靶速度/ (m·s-1) | 防弹插板面密度/ (kg·m-2) | 最大BFS值/ mm |
---|---|---|---|
1 | 817.4 | 29.34 | 18.99 |
2 | 805.7 | 28.69 | 19.30 |
3 | 811.7 | 28.75 | 19.72 |
4 | 803.2 | 29.52 | 19.50 |
表5 试验结果数据汇总
Table 5 Summary of experimental results
试验编号 | 入靶速度/ (m·s-1) | 防弹插板面密度/ (kg·m-2) | 最大BFS值/ mm |
---|---|---|---|
1 | 817.4 | 29.34 | 18.99 |
2 | 805.7 | 28.69 | 19.30 |
3 | 811.7 | 28.75 | 19.72 |
4 | 803.2 | 29.52 | 19.50 |
最小单元尺寸/mm | 模型单元总数 | 最大BFS值/mm | 误差/% |
---|---|---|---|
0.20 | 1 750 148 | 19.75 | 1.91 |
0.25 | 1 004 134 | 18.41 | -5.00 |
0.30 | 689 282 | 17.53 | -9.54 |
表6 单元尺寸敏感性验证
Table 6 Validation of unit size sensitivity
最小单元尺寸/mm | 模型单元总数 | 最大BFS值/mm | 误差/% |
---|---|---|---|
0.20 | 1 750 148 | 19.75 | 1.91 |
0.25 | 1 004 134 | 18.41 | -5.00 |
0.30 | 689 282 | 17.53 | -9.54 |
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