兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240812-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0812
收稿日期:
2024-09-06
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
NI Yingfeng1, CHEN Xiaowei2,*()
Received:
2024-09-06
Online:
2025-06-28
摘要:
目前针对舰船加筋板架结构的超高速撞击问题,研究工作更侧重于残余弹体信息和靶板破口特征,缺乏对弹靶撞击后破片群的形成过程和分布特征的研究。基于有限元-光滑粒子自适应耦合方法,加入Johnson-Cook失效判据和最大拉应变失效判据,数值模拟柱形弹撞击加筋板架结构时破片群的形成过程。模拟结果表明:柱形弹撞击加筋板架结构时,受到加强筋影响,会形成特殊“双马鞍形”的破片群形貌,破片群的主体部分集中在前端,由内部的风险破片和外围的微小破片组成,且破片分布与实验结果吻合较好。依据破片分布特征将撞击过程分为3个阶段,详细讨论不同阶段破片的形成方式和扩展过程。改变柱形弹的撞击位置,给出不同加筋形式下的破片群形貌特征。针对破片群中的风险破片,探究其质量和动能等特征参数,并讨论不同撞击点的影响程度,可用于评估对后板的威胁程度。分析结果表明:在不同撞击点背面的加强筋影响下,破片朝向特定区域集中,形成“双马鞍形”和“马鞍形”形貌,且风险破片的产生主要受主筋影响。
中图分类号:
倪蓥锋, 陈小伟. 柱形弹超高速撞击加筋板架结构的破片群特征分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240812-.
NI Yingfeng, CHEN Xiaowei. Characteristics of Fragment Cloud Produced by Hypervelocity Impact of Cylindrical Projectile on Stiffened Plate[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240812-.
弹丸直径/ mm | 弹丸长度/ mm | 弹丸 材料 | 靶板厚度/ mm | 靶板 材料 | 主筋/副筋 高度/mm |
---|---|---|---|---|---|
8.5 | 8.5 | 93W | 3.5 | Q345 | 40/20 |
表1 数值模型参数[21]
Table 1 The parameters of simulation model[21]
弹丸直径/ mm | 弹丸长度/ mm | 弹丸 材料 | 靶板厚度/ mm | 靶板 材料 | 主筋/副筋 高度/mm |
---|---|---|---|---|---|
8.5 | 8.5 | 93W | 3.5 | Q345 | 40/20 |
模型 | 参数 | 符号 | 93W | Q345 |
---|---|---|---|---|
J-C 模型参数 | 密度/(kg·m-3) | ρ0 | 17600 | 7830 |
泊松比 | PR | 0.3 | 0.29 | |
剪切模量/GPa | E | 137 | 77 | |
静态屈服极限/MPa | A | 600.8 | 374 | |
应变硬化模量/MPa | B | 1200 | 795.7 | |
应变硬化指数 | n | 0.4944 | 0.4545 | |
应变率系数 | c | 0.059 | 0.01586 | |
热软化系数 | m | 0.8203 | 0.8856 | |
熔化温度/K | Tm | 3683 | 1795 | |
Spall type | SPALL | 3 | 3 | |
失效参数 | D1 | 0.16 | 0.05 | |
失效参数 | D2 | 3.13 | 3.44 | |
失效参数 | D3 | -2.04 | -2.12 | |
失效参数 | D4 | 0.007 | 0.003 | |
失效参数 | D5 | 0.37 | 0.61 | |
Mie-Gruneisen 状态方程 | 初始声速/(m·s-1) | C0 | 4029 | 4569 |
常数 | S1 | 1.237 | 1.33 | |
常数 | S2-S3 | 0 | 0 | |
常数 | γ0 | 1.54 | 1.67 | |
常数 | ɑ | 0 | 0 |
表2 J-C模型和状态方程材料参数[19,21]
Table 2 The parameters of Johnson-Cook model and Grüneisen EOS[19,21]
模型 | 参数 | 符号 | 93W | Q345 |
---|---|---|---|---|
J-C 模型参数 | 密度/(kg·m-3) | ρ0 | 17600 | 7830 |
泊松比 | PR | 0.3 | 0.29 | |
剪切模量/GPa | E | 137 | 77 | |
静态屈服极限/MPa | A | 600.8 | 374 | |
应变硬化模量/MPa | B | 1200 | 795.7 | |
应变硬化指数 | n | 0.4944 | 0.4545 | |
应变率系数 | c | 0.059 | 0.01586 | |
热软化系数 | m | 0.8203 | 0.8856 | |
熔化温度/K | Tm | 3683 | 1795 | |
Spall type | SPALL | 3 | 3 | |
失效参数 | D1 | 0.16 | 0.05 | |
失效参数 | D2 | 3.13 | 3.44 | |
失效参数 | D3 | -2.04 | -2.12 | |
失效参数 | D4 | 0.007 | 0.003 | |
失效参数 | D5 | 0.37 | 0.61 | |
Mie-Gruneisen 状态方程 | 初始声速/(m·s-1) | C0 | 4029 | 4569 |
常数 | S1 | 1.237 | 1.33 | |
常数 | S2-S3 | 0 | 0 | |
常数 | γ0 | 1.54 | 1.67 | |
常数 | ɑ | 0 | 0 |
时间/μs | “尖端” 头部速度/ (km·s-1) | “尖端” 尾部速度/ (km·s-1) | 残弹头部 轴向速度/ (km·s-1) | “尖端” 轴向距离/ cm |
---|---|---|---|---|
10 | 3.48 | 2.55 | 2.89 | 1.25 |
20 | 3.48 | 2.66 | 2.89 | 1.84 |
30 | 3.48 | 2.73 | 2.88 | 2.44 |
40 | 3.48 | 2.78 | 2.88 | 3.04 |
50 | 3.48 | 2.80 | 2.88 | 3.63 |
表3 不同时刻的破片参数
Table 3 The parameters of fragment at different times
时间/μs | “尖端” 头部速度/ (km·s-1) | “尖端” 尾部速度/ (km·s-1) | 残弹头部 轴向速度/ (km·s-1) | “尖端” 轴向距离/ cm |
---|---|---|---|---|
10 | 3.48 | 2.55 | 2.89 | 1.25 |
20 | 3.48 | 2.66 | 2.89 | 1.84 |
30 | 3.48 | 2.73 | 2.88 | 2.44 |
40 | 3.48 | 2.78 | 2.88 | 3.04 |
50 | 3.48 | 2.80 | 2.88 | 3.63 |
工况 | 弹体剩余长度/ mm | 残弹破片群轴向 速度/(m·s-1) | 破片群横向扩展 速度/(m·s-1) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | 实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | 实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | |
实验1 | 11.39 | 11.15 | 2.11 | 2953 | 2897 | 1.89 | 738 | 769 | 4.20 |
实验2 | 18.90 | 18.62 | 1.48 | 2457 | 2471 | 0.57 | 482 | 524 | 8.71 |
表4 残余弹长和破片群参数数值模拟与实验[19]对比
Table 4 Comparison of simulated and experimental results of residual projectile length and fragments parameters[19]
工况 | 弹体剩余长度/ mm | 残弹破片群轴向 速度/(m·s-1) | 破片群横向扩展 速度/(m·s-1) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | 实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | 实验 值 | 计算 值 | 误差/ % | |
实验1 | 11.39 | 11.15 | 2.11 | 2953 | 2897 | 1.89 | 738 | 769 | 4.20 |
实验2 | 18.90 | 18.62 | 1.48 | 2457 | 2471 | 0.57 | 482 | 524 | 8.71 |
参数 | 弹体倾角/(°) | ||||
---|---|---|---|---|---|
0 | 5 | 10 | 15 | 20 | |
残余弹体速度/(m·s-1) | 2557 | 2557 | 2554 | 2551 | 2545 |
残余弹体长度/cm | 5.52 | 5.50 | 5.47 | 5.42 | 5.38 |
表5 不同倾角的残弹参数
Table 5 Residual projectile parameters at different angles
参数 | 弹体倾角/(°) | ||||
---|---|---|---|---|---|
0 | 5 | 10 | 15 | 20 | |
残余弹体速度/(m·s-1) | 2557 | 2557 | 2554 | 2551 | 2545 |
残余弹体长度/cm | 5.52 | 5.50 | 5.47 | 5.42 | 5.38 |
工况 | 风险破片 数量 | 残弹长度/ cm | 残弹质量/ g | 残弹速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
主副筋中心 | 629 | 5.52 | 46.86 | 2555 |
单主筋处 | 694 | 5.57 | 47.28 | 2557 |
单副筋处 | 410 | 6.79 | 57.64 | 2573 |
未加筋处 | 245 | 7.33 | 62.22 | 2592 |
表6 不同工况下风险破片和残余弹体参数对比
Table 6 Comparison of hazardous fragments and residual projectile parameters under different operating conditions
工况 | 风险破片 数量 | 残弹长度/ cm | 残弹质量/ g | 残弹速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
主副筋中心 | 629 | 5.52 | 46.86 | 2555 |
单主筋处 | 694 | 5.57 | 47.28 | 2557 |
单副筋处 | 410 | 6.79 | 57.64 | 2573 |
未加筋处 | 245 | 7.33 | 62.22 | 2592 |
工况 | 初始能量/ kJ | 弹体风险破 片能量/kJ | 靶板风险破 片能量/kJ | 残余弹体 能量/kJ |
---|---|---|---|---|
主副筋中心 | 243.89 | 13.22 | 1.53 | 158.38 |
单主筋处 | 243.89 | 12.13 | 0.83 | 159.81 |
单副筋处 | 243.89 | 6.46 | 0.40 | 194.82 |
未加筋处 | 243.89 | 4.38 | 0.24 | 210.32 |
表7 不同工况下初始能量、弹靶风险碎片能量汇总
Table 7 The summary of initial energy and hazardous fragment energy under different operating conditions
工况 | 初始能量/ kJ | 弹体风险破 片能量/kJ | 靶板风险破 片能量/kJ | 残余弹体 能量/kJ |
---|---|---|---|---|
主副筋中心 | 243.89 | 13.22 | 1.53 | 158.38 |
单主筋处 | 243.89 | 12.13 | 0.83 | 159.81 |
单副筋处 | 243.89 | 6.46 | 0.40 | 194.82 |
未加筋处 | 243.89 | 4.38 | 0.24 | 210.32 |
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