
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 231210-.doi: 10.12382/bgxb.2023.1210
李祥辉1,2, 张兴渝1,2, 胡家豪1,2, 刘洋1,2, 马伯翰3, 王永刚1,2, 蒋招绣1,2,*(
)
收稿日期:2023-12-26
上线日期:2024-03-25
通讯作者:
基金资助:
LI Xianghui1,2, ZHANG Xingyu1,2, HU Jiahao1,2, LIU Yang1,2, MA Bohan3, WANG Yonggang1,2, JIANG Zhaoxiu1,2,*(
)
Received:2023-12-26
Online:2024-03-25
摘要:
钢靶侵彻是一种典型的大塑性变形过程,靶材本构与损伤模型的构建是实现有限元模拟的重要前提。针对AISI 4340钢进行不同应力状态、应变率的静动态试验以及多层靶的侵彻试验。为实现钢靶侵彻的有限元模拟,引入能描述材料在大塑性应变阶段(即颈缩后)应力-应变响应的Swift-Voce混合塑性模型,以及同时考虑含应力三轴度、Lode角参数、应变率、温度的拓展Hosford-Coulomb断裂起始模型。在模型参数标定中,基于试验数据和有限元模拟进行塑性模型的参数标定;在构建误差函数以及单纯形法的线性规划算法基础上标定断裂起始模型的参数;通过建立准静态拉伸试验、动态拉伸试验和侵彻试验的有限元模型,对塑性和断裂起始模型参数进行反演验证。研究结果表明:AISI 4340钢表现出明显的应变率强化和热软化效应;新构建的本构与损伤模型能够准确预测钢靶材料的变形与断裂行为,且在侵彻试验模拟中与试验结果较为吻合。
中图分类号:
李祥辉, 张兴渝, 胡家豪, 刘洋, 马伯翰, 王永刚, 蒋招绣. AISI 4340钢靶大塑性模型及断裂起始模型参数研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231210-.
LI Xianghui, ZHANG Xingyu, HU Jiahao, LIU Yang, MA Bohan, WANG Yonggang, JIANG Zhaoxiu. Study on the Large Plasticity Model and Fracture Initiation Model Parameters of AISI 4340 Steel Targets[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231210-.
| 2.086 | 2.816 | 1.845 |
表1 试样的断裂位移
Table 1 Fracture displacements of specimens mm
| 2.086 | 2.816 | 1.845 |
| 试验序号 | 着靶速度/ (m·s-1) | 侵彻深度/ mm | 2号靶弹坑 直径/mm |
|---|---|---|---|
| 1 | 1733.3 | 50.52 | 16.84 |
| 2 | 1714.5 | 51.43 | 16.42 |
| 3 | 1765.5 | 52.00 | 17.23 |
表2 侵彻试验结果
Table 2 Penetration test results
| 试验序号 | 着靶速度/ (m·s-1) | 侵彻深度/ mm | 2号靶弹坑 直径/mm |
|---|---|---|---|
| 1 | 1733.3 | 50.52 | 16.84 |
| 2 | 1714.5 | 51.43 | 16.42 |
| 3 | 1765.5 | 52.00 | 17.23 |
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| E/GPa | 210 | C | 0.023 |
| υ | 0.3 | 0/s-1 | 0.001 |
| A0/MPa | 1111 | Tr/℃ | 25 |
| ε0 | 0.0007 | Tm/℃ | 1520 |
| n0 | 0.162 | m | 0.85 |
| k0/MPa | 423.5 | ηk | 0.9 |
| Q1/MPa | 383 | ρ/(kg·m-3) | 7850 |
| β | 25 | Cv/(J·kg-1·℃-1) | 477 |
| α | 0.6 |
表3 AISI 4340钢塑性模型参数
Table 3 The plasticity model parameters for AISI 4340 steel
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| E/GPa | 210 | C | 0.023 |
| υ | 0.3 | 0/s-1 | 0.001 |
| A0/MPa | 1111 | Tr/℃ | 25 |
| ε0 | 0.0007 | Tm/℃ | 1520 |
| n0 | 0.162 | m | 0.85 |
| k0/MPa | 423.5 | ηk | 0.9 |
| Q1/MPa | 383 | ρ/(kg·m-3) | 7850 |
| β | 25 | Cv/(J·kg-1·℃-1) | 477 |
| α | 0.6 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| a | 1.38 |
| b | 1.213 |
| c | 0.0035 |
| DNT6 | 0.9927 |
| DNT20 | 1.0173 |
| DSH | 1.0013 |
表4 AISI 4340钢断裂起始模型参数和各试样断裂位移 d i f时刻的损伤指标Di
Table 4 Fracture initiation model parameters for AISI 4340 steel and the corresponding Di at the moment of fracture displacement d i f for NT6,NT20 and SH
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| a | 1.38 |
| b | 1.213 |
| c | 0.0035 |
| DNT6 | 0.9927 |
| DNT20 | 1.0173 |
| DSH | 1.0013 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| E/GPa | 210 |
| υ | 0.3 |
| ρ/(g·cm-3) | 7.8 |
表5 杆的模型参数
Table 5 The model parameters of bars
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| E/GPa | 210 |
| υ | 0.3 |
| ρ/(g·cm-3) | 7.8 |
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ/(kg·m-3) | 17600 | D1 | 0.008 |
| G/GPa | 160 | D2 | 0.115 |
| A/MPa | 645 | D3 | 4.26 |
| B/MPa | 419 | D4 | 0.2 |
| n | 0.31 | D5 | 3.74 |
| C | 0.05 | Cv/(J·kg-1·℃-1) | 134 |
| m | 0.5 | C0/(m·s-1) | 3 850 |
| 0/s-1 | 0.001 | S1 | 1.24 |
| Tr/℃ | 25 | γ0 | 1.58 |
| Tm/℃ | 1 479 | ηk | 0.9 |
表6 93钨合金模型参数
Table 6 Model parameters of 93WHA
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ/(kg·m-3) | 17600 | D1 | 0.008 |
| G/GPa | 160 | D2 | 0.115 |
| A/MPa | 645 | D3 | 4.26 |
| B/MPa | 419 | D4 | 0.2 |
| n | 0.31 | D5 | 3.74 |
| C | 0.05 | Cv/(J·kg-1·℃-1) | 134 |
| m | 0.5 | C0/(m·s-1) | 3 850 |
| 0/s-1 | 0.001 | S1 | 1.24 |
| Tr/℃ | 25 | γ0 | 1.58 |
| Tm/℃ | 1 479 | ηk | 0.9 |
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
马利, 郑津洋, 胡洋, 等. AISI4340钢的绝热剪切与动态失效准则[J]. 兵工学报, 2010, 31(增刊1):79-83.
|
|
|
|
| [4] |
李晓源, 时捷. 弹丸高速冲击条件下高强度钢板抗弹性能[J]. 钢铁研究学报, 2020, 32(5):429-436.
doi: 10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20200012 |
|
|
|
| [5] |
|
| [6] |
王建军. 典型金属塑性流动中反常应力峰及其本构关系[D]. 西安: 西北工业大学, 2017.
|
|
|
|
| [7] |
王强, 王建军, 张晓琼, 等. 金属热黏塑性本构关系的研究进展[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(9):091402.
|
|
|
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
|
| [12] |
袁康博, 姚小虎, 王瑞丰, 等. 金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(9):091401.
|
|
|
|
| [13] |
|
| [14] |
朱磊, 刘洋, 孟锦晖, 等. 激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(9):091405.
|
|
|
|
| [15] |
马铭辉, 余毅磊, 蒋招绣, 等. 675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定[J]. 北京理工大学学报, 2022, 42(6):596-603.
|
|
|
|
| [16] |
|
| [17] |
|
| [18] |
|
| [19] |
|
| [20] |
|
| [21] |
|
| [22] |
|
| [23] |
|
| [24] |
李鹤飞. 高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2019.
|
|
|
|
| [25] |
|
| [26] |
|
| [27] |
|
| [28] |
林莉, 支旭东, 范锋, 等. Q235B钢Johnson-Cook模型参数的确定[J]. 振动与冲击, 2014, 33(9):153-158,172.
|
|
|
|
| [29] |
任冀宾, 汪存显, 张欣玥, 等. 2A97铝锂合金的Johnson-Cook本构模型及失效参数[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(8):136-144.
doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.180554 |
|
|
|
| [30] |
|
| [31] |
|
| [32] |
|
| [33] |
|
| [34] |
|
| [35] |
马东方. 基于空穴聚集的高应变率低应力三轴度拉伸断裂机理研究[D]. 宁波: 宁波大学, 2013.
|
|
|
|
| [36] |
王礼立. 应力波基础[M]. 第2版. 北京: 国防工业出版社, 2005.
|
|
|
|
| [37] |
郭鑫. 大变形霍普金森拉杆实验技术[D]. 宁波: 宁波大学, 2019.
|
|
|
|
| [38] |
|
| [39] |
马伯翰. 电阻点焊区域的弹丸冲击响应研究与点焊区材料特性初探[D]. 宁波: 宁波大学, 2021.
|
|
|
|
| [40] |
|
| [41] |
|
| [42] |
|
| [43] |
杜成鑫. Wf/Zr基非晶复合材料杆弹准细观侵彻机理及优化设计[D]. 南京: 南京理工大学, 2019.
|
|
|
|
| [44] |
|
| [45] |
|
| [1] | 张雪梅, 谢兴博, 钟明寿, 顾文彬, 杨贵丽. 不同聚能装药水中冲击引爆靶后B炸药特性研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 241046-. |
| [2] | 施琦, 茅云生, 水金朋, 陈柳屹, 梁棋钰, 宋利飞. 爬壁机器人矩形闭环磁阵列吸附模块改进与优化[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 241013-. |
| [3] | 时振清, 刘彦, 王晓锋, 闫俊伯, 白帆, 司鹏, 黄风雷. 类椭圆截面弹侵彻有限厚混凝土靶板弹道特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 241051-. |
| [4] | 陈令, 梁宏业, 王寿宇, 王磊, 刘琼, 南风强, 堵平, 何卫东. 超大弧厚硝基胍发射药的力学及燃烧特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 241000-. |
| [5] | 甄泓, 肖李军, 杜成鑫, 宋卫东. 在弹道冲击条件下超高分子量聚乙烯纤维复合材料板破坏模式[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240725-. |
| [6] | 周峰, 李立国, 邢炳楠, 杜成鑫, 杜忠华, 王鹏, 付华萌. 护套强度对钨丝集束弹芯侵彻性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240726-. |
| [7] | 龚晓慧, 饶国宁, 周如东, 朱晓丰, 孔德成, 孟辰宇. 聚脲/纤维复合结构的抗侵彻性能试验与数值仿真[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240709-. |
| [8] | 王展翾, 李欣田, 徐立志, 杜忠华. 横向效应增强侵彻体撞击靶板后破片径向速度预测模型的对比分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240533-. |
| [9] | 王艺臻, 尹建平, 张雪朋, 伊建亚, 李旭东. 聚能射流动态侵彻威力预测模型[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240932-. |
| [10] | 何金, 杨彬, 王迎春, 迟宏宵, 周健, 程兴旺. 深冷时间对低碳高合金马氏体钢组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240532-. |
| [11] | 侯云锟, 唐奎, 王金相, 顾敏辉, 郝戌龙, 王积锐. 不同弹头夹心弹斜侵彻金属靶特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(4): 240417-. |
| [12] | 张巍, 张杰. Y3Al5O12对热压烧结B4C陶瓷微观组织及力学性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240117-. |
| [13] | 蒋腾, 武海军, 邓希旻, 全鑫, 董恒, 黄风雷. 变截面弹体斜侵彻两层间隔钢靶弹道特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240019-. |
| [14] | 杨帆, 秦子尚, 李达诚, 胡兆财, 解维华, 孟松鹤. 布立冈型螺旋纤维仿生复合材料动静态力学行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240118-. |
| [15] | 张骢, 陆俊桦, 岳明凯. 成像引信仿生复合减振结构设计与仿真[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240021-. |
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