兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (S1): 135-146.doi: 10.12382/bgxb.2024.0630
苏成海1, 王中1, 马红兵1, 郑元枫2, 王海福2,*()
收稿日期:
2024-07-22
上线日期:
2024-11-06
通讯作者:
基金资助:
SU Chenghai1, WANG Zhong1, MA Hongbing1, ZHENG Yuanfeng2, WANG Haifu2,*()
Received:
2024-07-22
Online:
2024-11-06
摘要:
为研究复合混凝土结构在活性射流侵彻与爆炸联合作用下动态毁伤行为,采用全尺寸毁伤实验和动能-化学能分段数值模拟相结合的方法,获取活性射流作用不同面层厚度复合混凝土结构动态毁伤特性。实验结果表明:在PTFE/Al活性射流侵彻-爆炸联合作用下,混凝土层出现中心侵孔、崩落、隆起、径向/环向裂纹等多种毁伤模式,随混凝土层增厚,崩落面积增大,但隆起高度与径向裂纹数量减少。基于有限元分析软件,引入改进RHT混凝土模型,结合活性射流反应特性,采用FEM-SPH算法对动能侵彻-爆炸增强毁伤行为进行分段数值模拟,结合实验和数值模拟结果,给出活性射流有效质量空间分布特性,确定动能侵彻和爆炸增强毁伤增益关系,研究表明,活性射流爆炸增强毁伤可在动能侵彻毁伤基础上,分别对侵孔直径和破坏区直径增大116%和59.7%,大幅提升对复合混凝土结构破坏效果。
中图分类号:
苏成海, 王中, 马红兵, 郑元枫, 王海福. 活性射流作用复合混凝土结构动态毁伤特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 135-146.
SU Chenghai, WANG Zhong, MA Hongbing, ZHENG Yuanfeng, WANG Haifu. Dynamic Damage Characteristics of Composite Concrete Structure Subjected to Reactive Jet[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(S1): 135-146.
编号 | 抗压破坏 载荷/kN | 测试抗压 强度/MPa | 平均抗折 强度/MPa | 抗折破坏 载荷/kN | 测试抗折 强度/MPa | 平均抗折 强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1075.2 | 47.8 | 38.6 | 5.1 | ||
2 | 1050.1 | 46.7 | 47.3 | 38.2 | 5.1 | 5.1 |
3 | 1065.5 | 47.4 | 38.2 | 5.1 |
表1 混凝土层力学测试
Table 1 Compressive strength and flexural strength tests of concrete layer
编号 | 抗压破坏 载荷/kN | 测试抗压 强度/MPa | 平均抗折 强度/MPa | 抗折破坏 载荷/kN | 测试抗折 强度/MPa | 平均抗折 强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1075.2 | 47.8 | 38.6 | 5.1 | ||
2 | 1050.1 | 46.7 | 47.3 | 38.2 | 5.1 | 5.1 |
3 | 1065.5 | 47.4 | 38.2 | 5.1 |
元素 | 质量百分比/% | 原子百分比/% |
---|---|---|
C | 24.02 | 35.48 |
O | 1.32 | 1.46 |
F | 59.30 | 55.37 |
Al | 11.12 | 7.31 |
Au | 4.25 | 0.38 |
表2 EDS面扫元素含量分析结果
Table 2 EDS surface scan elemental analyzed results
元素 | 质量百分比/% | 原子百分比/% |
---|---|---|
C | 24.02 | 35.48 |
O | 1.32 | 1.46 |
F | 59.30 | 55.37 |
Al | 11.12 | 7.31 |
Au | 4.25 | 0.38 |
实验编号 | Hc/cm | Dp/cm | Dc/cm | δb/cm | L | 环向裂纹直径/cm |
---|---|---|---|---|---|---|
活性射流-1 | 250 | 37 | 87×75 | 6 | 8 | 330 |
活性射流-2 | 350 | 30 | 97×105 | 3 | 7 | |
活性射流-3 | 450 | 26 | 198×160 | 0 | 4 | |
铝射流 | 450 | 14.7 | 66×83 | 0 | 3 |
表3 复合混凝土结构动态毁伤结果对比
Table 3 Comparison of dynamic damage results of composite concrete structures
实验编号 | Hc/cm | Dp/cm | Dc/cm | δb/cm | L | 环向裂纹直径/cm |
---|---|---|---|---|---|---|
活性射流-1 | 250 | 37 | 87×75 | 6 | 8 | 330 |
活性射流-2 | 350 | 30 | 97×105 | 3 | 7 | |
活性射流-3 | 450 | 26 | 198×160 | 0 | 4 | |
铝射流 | 450 | 14.7 | 66×83 | 0 | 3 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
剪切模量/GPa | 16.3 | 弹性强度/ft | 0.7 |
抗压强度fc/MPa | 47.3 | 弹性强度/fc | 0.53 |
抗拉强度ft/fc | 0.108 | 残余强度常数B0 | 1.8 |
剪切强度fs/fc | 0.11 | 残余强度exp.M | 0.7 |
破坏面参数A0 | 2 | 比较应变率exp.α | 0.032 |
破坏面参数N | 0.7 | 损伤常数DI | 0.04 |
拉压子午比 | 0.6805 | 最小失效应变 | 0.01 |
脆性到延性转变 | 0.0105 | 残余热模量 | 0.13 |
G(弹性)/G(弹-塑性) | 2 | 侵蚀应变几何应变(仅适用于拉格朗日) | 2 |
表4 混凝土材料参数
Table 4 Concrete material parameters
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
剪切模量/GPa | 16.3 | 弹性强度/ft | 0.7 |
抗压强度fc/MPa | 47.3 | 弹性强度/fc | 0.53 |
抗拉强度ft/fc | 0.108 | 残余强度常数B0 | 1.8 |
剪切强度fs/fc | 0.11 | 残余强度exp.M | 0.7 |
破坏面参数A0 | 2 | 比较应变率exp.α | 0.032 |
破坏面参数N | 0.7 | 损伤常数DI | 0.04 |
拉压子午比 | 0.6805 | 最小失效应变 | 0.01 |
脆性到延性转变 | 0.0105 | 残余热模量 | 0.13 |
G(弹性)/G(弹-塑性) | 2 | 侵蚀应变几何应变(仅适用于拉格朗日) | 2 |
材料 | 密度/(g·cm-3) | G/GPa | A1/MPa | B1/MPa | n | C1 | m | Tmelt/K | Ca/(km·s-1) | S1 | Γ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
钢 | 7.83 | 77 | 507 | 320 | 0.28 | 0.064 | 1.06 | 1793 | 4.57 | 1.92 | 2.17 |
PTFE/Al | 2.27 | 0.666 | 8.044 | 250.6 | 1.8 | 0.4 | 1.0 | 500 | 1.45 | 2.2584 | 0.9 |
铝 | 2.74 | 22.7 | 250 | 225 | 0.37 | 0.067 | 1.0 | 775 | 5.33 | 1.34 | 2.0 |
表5 惰性PTFE/Al、钢和铝的材料参数
Table 5 Material parameters of inert PTFE/Al, steel and aluminum
材料 | 密度/(g·cm-3) | G/GPa | A1/MPa | B1/MPa | n | C1 | m | Tmelt/K | Ca/(km·s-1) | S1 | Γ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
钢 | 7.83 | 77 | 507 | 320 | 0.28 | 0.064 | 1.06 | 1793 | 4.57 | 1.92 | 2.17 |
PTFE/Al | 2.27 | 0.666 | 8.044 | 250.6 | 1.8 | 0.4 | 1.0 | 500 | 1.45 | 2.2584 | 0.9 |
铝 | 2.74 | 22.7 | 250 | 225 | 0.37 | 0.067 | 1.0 | 775 | 5.33 | 1.34 | 2.0 |
材料 | 密度/(g·cm-3) | D/(km·s-1) | Pcj/GPa | A2/GPa | B2/GPa | R1 | R2 | ω |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
PTFE/Al | 2.27 | 5.2 | 21 | 15.9 | 0.0023 | 7 | 0.6 | 0.38 |
8701炸药 | 1.71 | 8.315 | 28.6 | 524.23 | 7.678 | 4.2 | 1.1 | 0.34 |
表6 激活后PTFE/Al和8701炸药材料参数
Table 6 Material parameters of 8701 explosive and PTFE/Al after reactivation
材料 | 密度/(g·cm-3) | D/(km·s-1) | Pcj/GPa | A2/GPa | B2/GPa | R1 | R2 | ω |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
PTFE/Al | 2.27 | 5.2 | 21 | 15.9 | 0.0023 | 7 | 0.6 | 0.38 |
8701炸药 | 1.71 | 8.315 | 28.6 | 524.23 | 7.678 | 4.2 | 1.1 | 0.34 |
Hc | 活性材料初始质量/g | 剩余质量/g | 空气层中质量分数/% | 混凝土层质量分数/% | 碎石层质量分数/% |
---|---|---|---|---|---|
250mm | 956.5 | 20.7 | 37.9 | 41.4 | |
350mm | 1057 | 964.0 | 31 | 54.5 | 14.5 |
450mm | 983.0 | 37.8 | 62.2 | 0 |
表7 活性材料质量分数空间分布
Table 7 Spatial distribution of mass fractions of reactive materials
Hc | 活性材料初始质量/g | 剩余质量/g | 空气层中质量分数/% | 混凝土层质量分数/% | 碎石层质量分数/% |
---|---|---|---|---|---|
250mm | 956.5 | 20.7 | 37.9 | 41.4 | |
350mm | 1057 | 964.0 | 31 | 54.5 | 14.5 |
450mm | 983.0 | 37.8 | 62.2 | 0 |
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doi: 10.1016/j.dt.2020.02.008 |
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doi: 10.12382/bgxb.2022.1220 |
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