Abaqus-之Explicit模拟子弹穿板

摘要    

本文介绍了在Abaqus/Explicit中对薄钢板被刚性弹丸穿孔的数值模拟结果。一块边长为100毫米的正方形板的厚度为1毫米。与之相比，直径为13毫米的弹丸的质量为30克。对于初速度小于180米/秒的情况，确定了弹丸的剩余速度。研究了弹丸形状对剩余速度和穿孔板的破坏模式的影响。    这些结果与实验测试进行了比较，实验直接确定了VR-V0曲线和破坏模式。模拟的最重要部分是使用本构模型，确保本构模型对应变率足够敏感，并使用适当的破坏准则，考虑三轴系数的影响。

背景

一直以来，钢板受到弹丸冲击和穿透的过程已经通过实验和数值分析进行了研究，但仍然是一个复杂而有趣的问题。影响钢板弹道性能的最重要因素是其厚度和强度。在钢板受到冲击和可能被穿透的过程中，材料会发生高应变率（约为100,000 1/s），并且温度会显著升高（最高可达500℃），这会影响所分析材料的力学性质。弹丸的大小、形状、质量和硬度，以及冲击速度和入射角度也是影响钢板动态行为的重要因素。本技术简报重点研究钢板的弹道性能，其中变化的因素是弹丸的头部形状，如图1所示。

图1 实验装置

图2 穿透测试中使用的弹丸形状：A) 半球形弹丸；B) 锥形弹丸

在1mm厚的钢板上进行了不同头部形状的刚性弹丸穿透测试。用于实施弹道冲击测试的实验装置主要包括一个气体发射器（图1）和激光传感器，用于记录和处理测试提供的数据：测量初始和剩余的弹丸速度。弹丸的初始速度是在发射管后方测量的，而剩余速度是在钢板后方测量的。本研究使用两种弹丸：锥形和半球形头部形状（图2）。弹丸是从马氏体时效钢加工而成的，在热处理后，它们的屈服应力达到2 GPa。对于每种配置，弹丸的质量和直径保持恒定（MP≈ 30 g，ϕp = 13 mm）。

在测试中，弹丸在靶板（100 * 100 mm²的方形板）的中央区域冲击，如图3所示。活动部分的厚度为1mm，嵌入在刚性支撑（夹持部分）上。为了完全确定钢板的弹道曲线，考虑了一系列不同的初始冲击速度。

图3 靶板的几何尺寸

冲击测试使用高速摄像机（Phantom v711）进行记录。穿孔过程的记录时间分辨率为30微秒。在锥形弹丸的情况下，绘制了初始弹丸速度为V0 = 178 m/s时的三种样本配置：冲击、穿透和穿孔，如图4所示。

图4 穿板不同时刻变形记录

数值模型

        随后，对薄钢板上弹丸的冲击和穿孔测试进行了数值分析，以预测实验观察结果。使用ABAQUS/Explicit有限元软件对过程进行模拟。

图5 靶板网格划分

计算机分析中引入了以下主要假设：

a）弹丸三维非刚体，根据弹丸的形状、体积和密度自动计算其质量和惯性矩。进行数值模拟时，选择了各种不同的初始冲击速度范围（20 m/s ≤ V0 ≤ 200 m/s），以涵盖实验范围。

b）弹丸与钢板之间的接触使用侵蚀（内部表面）通用接触模型进行建模，采用罚函数法（有限滑移公式）。应用恒定的摩擦系数μ = 0.2 。

c）为了优化网格，钢板的几何形状被分为两个部分：一个圆形的中央部分（直径30mm）和一个外部部分，如图5所示。钢板的中央部分使用C3D8R 110k单元（尺寸0.2mm）进行网格划分，而外部部分使用73k单元C3D8I（尺寸0.5mm）进行网格划分。

d）靶板使用热-粘塑性材料。为了重现穿孔过程中的破坏模式，需要使用Wierzbicki提出的破坏准则。在该准则中，破坏时的等效应变εf是应力三轴度η（平均应力σm与等效应力blog-sigma比值）的函数。当塑性等效应变超过限制值εf时，单元被移除。对于两种弹丸形状，在单元破坏之前估计了应力三轴性的平均值，详见表1。

实验结果与数值结果的对比

如图6所示，左边为数值模拟结果，右侧为试验照片。与实验结果相比，整体上存在良好的一致性。数值预测圆锥形弹丸剩余速度为90m/s，半球形弹丸为93m/s。

实验中得到的破坏模式在数值模拟上被复现。数值结果显示，对于圆锥形弹丸，出现了花瓣形成的破坏模式。而对于半球形弹丸，则观察到了塞子抛射的破坏模式。最大的等效破坏应变与每种弹丸形状的破坏准则相对应。

结论

        本文对一种钢板在冲击和穿孔载荷下进行了实验和数值研究。使用RK本构关系[2]将板材的力学行为实现在代码中。通过材料测试确定了Rusinek和Klepaczko提出的本构关系的材料常数。在这个技术简介中考虑了两种不同形状的弹丸（圆锥形和半球形）。确定了每种弹丸形状的弹道极限，并绘制了弹道曲线。发现弹道极限和目标的破坏模式与弹丸头部形状密切相关。使用有限元代码ABAQUS/Explicit对冲击问题进行了数值分析。将数值部分得到的结果与实验进行了比较，发现在破坏模式、子弹剩余速度方面存在良好的一致性。

[1] Abaqus. Abaqus/Explicit User’s Manuels, Version 2022.
[2] Rusinek A, Klepaczko JR. Shear testing of a sheet steel at wide range of strain rates and a constitutive relation with strain-rate and temperature dependence of the flow stress. Int J Plast 2001;17:87–115.
[3] Wierzbicki T, Bao Y, Lee Y-W, Bai Y. Calibration and evaluation of seven fracture models. Int J Mech Sci 2005;47:719–43.

来源：ABAQUS仿真世界