
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250402-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0402
李元1,2, 王天池1, 侯兵1,2, 索涛1,2,*(
), 豆清波1,2
收稿日期:2025-05-26
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
LI Yuan1,2, WANG Tianchi1, HOU Bing1,2, SUO Tao1,2,*(
), DOU Qingbo1,2
Received:2025-05-26
Online:2025-11-05
摘要:
烧结纤维网络材料作为一种新型爆炸防护材料,体现出了横观各向同性的力学特性,给工程化设计和应用带来了挑战。为了实现烧结纤维网络材料的准确数值模拟,建立了横观各向同性的唯象动态本构模型,并基于用户子程序实现了相关的本构算法。基于开展的不同加载方向应力-应变曲线,进行了本构参数的拟合,获得烧结纤维网络的材料参数。为验证所建本构模型和材料参数准确性,开展了纤维网络的爆炸模拟加载试验和相应的数值模拟分析,得到了该材料对冲击压力的衰减规律。结果表明,不同冲击加载方向下,数值模拟得到的冲击压力衰减和试样冲击压缩量与试验结果吻合良好,纤维网络材料可降低冲击压力达57.4%。所建立本构模型和参数可较好地反映纤维网络材料力学特性,可为其工程化应用提供重要仿真分析工具。
中图分类号:
李元, 王天池, 侯兵, 索涛, 豆清波. 烧结纤维网络材料爆炸冲击防护数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250402-.
LI Yuan, WANG Tianchi, HOU Bing, SUO Tao, DOU Qingbo. Numerical Modeling on Explosion Protection of Sintered Fiber Network Material[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250402-.
| 相对 密度 | E1/ MPa | E3/ MPa | ν12 | ν3 | G4/ MPa | G5/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 3210 | 1600 | 0.11 | -0.00469 | 2331 | 37.6 |
| 0.15 | 6190 | 3200 | 0.15 | -0.00867 | 3496.5 | 102.3 |
| 0.20 | 10710 | 6400 | 0.21 | -0.01201 | 4650 | 201 |
表1 弹性相关参数
Table 1 Elastic parameters
| 相对 密度 | E1/ MPa | E3/ MPa | ν12 | ν3 | G4/ MPa | G5/ MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 3210 | 1600 | 0.11 | -0.00469 | 2331 | 37.6 |
| 0.15 | 6190 | 3200 | 0.15 | -0.00867 | 3496.5 | 102.3 |
| 0.20 | 10710 | 6400 | 0.21 | -0.01201 | 4650 | 201 |
| 相对密度 | B | C | D | E | F | t11 | t12 | t13 | t14 | t15 | t31 | t32 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 0.07083 | 0.03322 | 0 | 0.04456 | 0.39877 | -0.04394 | -0.05765 | 0.01484 | -1.16×10-3 | 3.12×10-5 | 10.9558 | -31.1684 |
| 0.15 | 0.08316 | 0.04555 | 0 | 0.08495 | 0.54483 | -0.03139 | -0.07441 | 0.02507 | -2.61×10-3 | 9.46×10-5 | 9.4135 | -4.0578 |
| 0.20 | 0.10783 | 0.06988 | 0 | 0.13636 | 0.86538 | -0.02528 | -0.10213 | 0.05945 | -9.67×10-3 | 5.33×10-4 | 9.0598 | -13.3983 |
| 相对密度 | t33 | t34 | t35 | t41 | t42 | t51 | t52 | ${Y}_{3}^{0}$ | m1 | m3 | m4 | m5 |
| 0.10 | 127.5877 | -135.7743 | 71.5584 | 0.1542 | 0.4055 | 0.8918 | 0.8136 | 0.221 | 0.069 | 0.093 | 1.2 | 1.2 |
| 0.15 | 50.6525 | -46.3774 | 39.6585 | 0.2062 | 0.3778 | 1.1305 | 0.7564 | 0.632 | 0.037 | 0.073 | 0.2 | 0.2 |
| 0.20 | 86.1957 | -91.2777 | 47.6583 | 0.2486 | 0.3923 | 1.6195 | 0.7663 | 1.35 | 0.02 | 0.058 | 0.2 | 0.2 |
表2 塑性相关参数
Table 2 Plastic parameters
| 相对密度 | B | C | D | E | F | t11 | t12 | t13 | t14 | t15 | t31 | t32 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 0.07083 | 0.03322 | 0 | 0.04456 | 0.39877 | -0.04394 | -0.05765 | 0.01484 | -1.16×10-3 | 3.12×10-5 | 10.9558 | -31.1684 |
| 0.15 | 0.08316 | 0.04555 | 0 | 0.08495 | 0.54483 | -0.03139 | -0.07441 | 0.02507 | -2.61×10-3 | 9.46×10-5 | 9.4135 | -4.0578 |
| 0.20 | 0.10783 | 0.06988 | 0 | 0.13636 | 0.86538 | -0.02528 | -0.10213 | 0.05945 | -9.67×10-3 | 5.33×10-4 | 9.0598 | -13.3983 |
| 相对密度 | t33 | t34 | t35 | t41 | t42 | t51 | t52 | ${Y}_{3}^{0}$ | m1 | m3 | m4 | m5 |
| 0.10 | 127.5877 | -135.7743 | 71.5584 | 0.1542 | 0.4055 | 0.8918 | 0.8136 | 0.221 | 0.069 | 0.093 | 1.2 | 1.2 |
| 0.15 | 50.6525 | -46.3774 | 39.6585 | 0.2062 | 0.3778 | 1.1305 | 0.7564 | 0.632 | 0.037 | 0.073 | 0.2 | 0.2 |
| 0.20 | 86.1957 | -91.2777 | 47.6583 | 0.2486 | 0.3923 | 1.6195 | 0.7663 | 1.35 | 0.02 | 0.058 | 0.2 | 0.2 |
| 面内方向 | 面外方向 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 编号 | 相对密度 | 厚度/mm | 编号 | 相对密度 | 厚度/mm |
| IL | 0.10 | 27 | OL | 0.10 | 27 |
| IM | 0.15 | 18 | OM | 0.15 | 18 |
| IH | 0.20 | 13.5 | OH | 0.20 | 13.5 |
表3 试样参数
Table 3 Specimen parameters
| 面内方向 | 面外方向 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 编号 | 相对密度 | 厚度/mm | 编号 | 相对密度 | 厚度/mm |
| IL | 0.10 | 27 | OL | 0.10 | 27 |
| IM | 0.15 | 18 | OM | 0.15 | 18 |
| IH | 0.20 | 13.5 | OH | 0.20 | 13.5 |
| 面内方向 | 面外方向 | ||
|---|---|---|---|
| 相对密度 | 背部最大 压力/MPa | 相对密度 | 背部最大 压力/MPa |
| 0.10 | 170.3±35 | 0.10 | 242.8±26 |
| 0.15 | 206.2±10 | 0.15 | 232.5±5 |
| 0.20 | 177.2±23 | 0.20 | 193.9±7 |
表4 压力峰值
Table 4 Peak pressures
| 面内方向 | 面外方向 | ||
|---|---|---|---|
| 相对密度 | 背部最大 压力/MPa | 相对密度 | 背部最大 压力/MPa |
| 0.10 | 170.3±35 | 0.10 | 242.8±26 |
| 0.15 | 206.2±10 | 0.15 | 232.5±5 |
| 0.20 | 177.2±23 | 0.20 | 193.9±7 |
| 加载 方向 | 相对 密度 | 背部最大压力/MPa | 厚度方向压缩量/mm | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 试验 平均值 | 仿真值 | 误差/ % | 试验 平均值 | 仿真值 | 误差/ % | ||
| 0.10 | 170.3 | 141.1 | 17.1 | 20.6 | 21.4 | 3.9 | |
| 面内 | 0.15 | 206.2 | 162.3 | 21.3 | 11.8 | 13.2 | 11.9 |
| 0.20 | 177.2 | 215.1 | 21.4 | 7.5 | 9.0 | 20.0 | |
| 0.10 | 242.8 | 203.9 | 16.0 | 21.2 | 20.6 | 2.8 | |
| 面外 | 0.15 | 232.5 | 245.7 | 5.7 | 12.5 | 12.6 | 0.8 |
| 0.20 | 193.9 | 260.1 | 34.1 | 7.7 | 8.8 | 14.3 | |
表5 数值模拟压力和变形量的相对误差
Table 5 Relative errors of pressures and deformations
| 加载 方向 | 相对 密度 | 背部最大压力/MPa | 厚度方向压缩量/mm | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 试验 平均值 | 仿真值 | 误差/ % | 试验 平均值 | 仿真值 | 误差/ % | ||
| 0.10 | 170.3 | 141.1 | 17.1 | 20.6 | 21.4 | 3.9 | |
| 面内 | 0.15 | 206.2 | 162.3 | 21.3 | 11.8 | 13.2 | 11.9 |
| 0.20 | 177.2 | 215.1 | 21.4 | 7.5 | 9.0 | 20.0 | |
| 0.10 | 242.8 | 203.9 | 16.0 | 21.2 | 20.6 | 2.8 | |
| 面外 | 0.15 | 232.5 | 245.7 | 5.7 | 12.5 | 12.6 | 0.8 |
| 0.20 | 193.9 | 260.1 | 34.1 | 7.7 | 8.8 | 14.3 | |
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