雙破片撞擊充液容器的數(shù)值模擬

雙破片撞擊充液容器的數(shù)值模擬

0液壓水錘效應(yīng)如果高速中斷，并穿透充液容器前壁，液體將形成一個強大的壓力場，這種壓力負荷在容器結(jié)構(gòu)上起作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。這一現(xiàn)象被稱為液壓效應(yīng)。國外在20世紀70年代就有學(xué)者開展了液壓水錘效應(yīng)的研究工作,當時的主要工作是對液壓水錘效應(yīng)現(xiàn)象建立工程計算模型,希望能夠預(yù)測箱體內(nèi)的壓力以及箱體的響應(yīng)和破壞國內(nèi)對液壓水錘效應(yīng)的研究起步較晚。王海福等綜上所述,國內(nèi)外目前的研究主要針對單破片撞擊充液容器引起的液壓水錘效應(yīng),但在實際作戰(zhàn)中,戰(zhàn)斗部爆炸會形成很多破片并同時或先后作用于目標,破片撞擊動能、破片分布的密度和作用時間先后順序?qū)τ谀繕说臍加泻艽蟮挠绊憽Ｒ虼吮疚闹饕芯侩p破片高速撞擊充液容器時前壁面、后壁面的毀傷情況,并考慮破片撞擊速度、破片間距、撞擊時間間隔對壁面毀傷的影響。1計算和試驗2破臂英雄的影響值1.1材料模型的建立為研究雙破片高速撞擊充液容器時前、后壁面的毀傷情況,本文使用ANSYS/LS-DYNA軟件對該過程進行數(shù)值計算。所建立的有限元模型如圖1所示,模型由圓筒、前壁面、后壁面、壓盤、破片、水和空氣域組成。前壁面、后壁面與圓筒、壓盤之間均采用自動面面接觸,并約束壓盤在破片運動方向的位移,破片與前壁面、后壁面之間采用侵徹接觸。其中圓筒材料為鋼,內(nèi)徑215mm,外徑245mm,長200mm;前壁面、后壁面為380mm×380mm×4mm的2024T4鋁合金板,用鋼制壓盤將其固定在圓筒兩端;破片為直徑d=9.5mm的鎢球。破片和前、后壁面網(wǎng)格大小為1mm,圓筒和壓盤網(wǎng)格大小為3mm.仿真時,為了讓空氣流入容器內(nèi)形成氣腔,容器周圍設(shè)有空氣域,空氣域設(shè)置無反射邊界條件,空氣域和水域共節(jié)點。為了防止計算時出現(xiàn)負體積,以及保證計算的精度,同時控制計算時長,在以破片運動軌跡為中線劃分5cm×5cm的區(qū)域進行網(wǎng)格加密,單元尺寸為1mm,其他區(qū)域網(wǎng)格大小為4mm,如圖1(b)所示。采用Johnson-Cook模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述容器前壁面、后壁面,Johnson-Cook模型考慮了金屬材料所承受的大應(yīng)變、高應(yīng)變率以及溫度效應(yīng)。其屈服應(yīng)力表達式為Gruneisen狀態(tài)方程定義壓縮材料的壓力為式中:S定義膨脹材料的壓力為式中:E采用Plastic-Kinematic材料模型描述鎢球破片、鋼制壓盤和圓筒。前壁面、后壁面、破片、壓盤和圓筒的材料參數(shù)如表1所示,表中E為彈性模量,ν為泊松比。用MAT＿NULL模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述水,用MAT＿NULL模型和LinearPolynomial狀態(tài)方程描述空氣,其中線性多項式狀態(tài)方程的壓力為式中:C1.2破片撞擊容器試驗雙破片液壓水錘效應(yīng)試驗系統(tǒng)由發(fā)射裝置、擋托裝置、測速系統(tǒng)(測速靶和測時儀)、充液容器、背景布和高速攝影機組成,如圖2所示。試驗所用破片及充液容器等均與仿真相同。圖3為試驗所用充液容器,通過螺桿連接圓筒兩端的壓盤,并用螺栓擰緊。試驗時,為保證能同時發(fā)射兩枚破片,設(shè)計了專用的彈托。將兩枚破片裝在彈托中,通過25mm滑膛炮發(fā)射。發(fā)射后彈托分開,釋放兩枚破片,不影響破片作用于目標。擋托裝置能防止彈托打中目標,影響試驗結(jié)果。測速靶和計時儀能測得破片撞擊容器前的速度。用高速攝影機記錄破片撞擊充液容器的過程,如圖4所示。1.3破片撞擊速度本次試驗共計7發(fā),破片撞擊速度范圍在1000～1500m/s,通過調(diào)整裝藥量使每發(fā)撞擊速度間隔約100m/s,試驗數(shù)據(jù)如表3所示。表3中,v圖5為選取其中典型5發(fā)試驗的容器前壁面、后壁面破壞情況。當兩個破片撞擊速度較低時,前、后壁面均只有塑性變形,無裂紋產(chǎn)生;當兩個破片撞擊速度增大至1299m/s時,后壁面開始產(chǎn)生裂紋,此時裂紋為將兩個破片孔連通的一條線;當破片速度增大至1479m/s時,后壁面為“花瓣”式開裂。對比第5發(fā)和第7發(fā),兩個破片撞擊速度差別不大的情況下,破片間距較小的第5發(fā)后壁面變形比第7發(fā)嚴重,“花瓣”開口更大,裂紋擴展更長。對比每發(fā)的前、后壁面損傷可知,后壁面的損傷比前壁面嚴重,破片的出口孔周圍存在廣泛的裂紋及明顯的塑性變形。主要有兩個因素造成前壁面損傷不如后壁面嚴重:首先,入口面上受到破片的沖擊,脈動載荷持續(xù)時間較短,而后壁面在破片未到達前不斷受到液體中壓力波的持續(xù)作用;其次,由于液體中的拖拽作用使破片速度明顯下降,導(dǎo)致作用于前壁面上的破片速度顯著高于后壁面,高速沖擊于薄板上會形成一個圓滑的孔,而低速沖擊導(dǎo)致在沖擊點附近的材料局部變形成撕裂,這些撕裂或者短裂紋可以很容易引起更大的失效。1.4壁面撕裂嚴重為獲得精確全面的前壁面、后壁面變形數(shù)據(jù),采用精度為0.085mm的MetraScan三維掃描儀對試驗容器的前后壁面進行掃描,其中4發(fā)典型的前壁面、后壁面變形數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比如圖6所示。當破片撞擊速度為1470m/s和1498m/s時,后壁面撕裂嚴重,因此圖6(c)和圖6(d)中間斷部分為壁面開裂處。在壁面的邊界處,試驗和仿真計算中的情況有所差距,邊界處的試驗變形結(jié)果要比仿真大,這是因為試驗時通過螺桿將壓盤固定在圓筒兩側(cè),提供的約束力不足,導(dǎo)致了在約束處試件發(fā)生變形,而仿真時是限制了壓盤在破片運動方向的位移。從圖6可看出,仿真獲得的壁面變形量變化與試驗結(jié)果趨勢相同,試驗和仿真獲得的前壁面變形量最大誤差為7%.為更充分驗證仿真結(jié)果的正確性,對試驗和仿真計算得到的破片剩余速度進行對比,結(jié)果如表4所示,仿真和試驗獲得的破片剩余速度最大誤差為8.98%.2破片撞擊點間距為研究破片動能、撞擊點間距、撞擊容器時間間隔對前壁面、后壁面毀傷的影響,共進行了3組仿真。第1組仿真使兩個破片撞擊點間距為15mm,撞擊速度為800～1600m/s,每發(fā)速度間隔200m/s,同時撞擊充液容器;第2組仿真使兩個破片撞擊點間距為15～35mm,每發(fā)間距增量5mm,速度1200m/s,同時撞擊充液容器;第3組仿真使兩個破片撞擊點間距為15mm,撞擊速度為1200m/s,撞擊時間間隔為0～0.2ms,每發(fā)時間間隔增量為0.05ms.2.1壁面靠水兩側(cè)應(yīng)力兩個間距為15mm的破片以1200m/s的速度同時撞擊充液容器時,不同時刻容器前、后壁面靠水一側(cè)的應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可見,前壁面、后壁面所受應(yīng)力呈環(huán)狀分布,在兩個破片孔周圍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。壓力波前沿在140μs時到達后壁面,壁面中心周圍在沖擊波的作用下承受較大的應(yīng)力,在255μs時破片達到后壁面,破片撞擊后壁面,使破片作用位置處附近應(yīng)力上升。2.2撞擊點間距的影響為衡量前壁面、后壁面的變形程度,在壁面外凸一側(cè)分別選取沿著x軸、y軸不同位置處的變形量,如圖8所示。圖9、圖10分別為破片撞擊點間距D圖11、圖12分別為破片以800～1600m/s的速度、撞擊點間距15mm同時撞擊充液容器時前壁面、后壁面的變形云圖(不同撞擊速度下壁面變形云圖的量程相同)。從圖11和圖12可看出,隨著破片撞擊速度的提高,壁面變形量增大,并且開始出現(xiàn)裂紋,但破片撞擊速度的增大對后壁面的影響比前壁面嚴重。破片撞擊速度的變化主要影響前壁面兩個破片孔周圍單元的失效,當v2.3破片撞擊點間距雙破片撞擊點間距D由于破片撞擊點間距對前壁面變形幾乎無影響,只提取了后壁面的損傷結(jié)果,如圖15所示。由圖15可見:兩個破片撞擊點間距為15mm時,后壁面有兩條長約53mm的裂紋,呈現(xiàn)花瓣式開裂;破片撞擊點間距增大至20mm時,后壁面其中一個破片孔一側(cè)產(chǎn)生一條14mm長的裂紋,另一個破片孔一側(cè)裂紋沿著孔延伸;當破片撞擊點間距增大至25mm時,有兩條長約7mm的裂紋;當破片撞擊點間距大于25mm時,后壁面無裂紋產(chǎn)生。2.4破片撞擊充液容器時間間隔圖16、圖17分別為撞擊點間距15mm的雙破片以1200m/s的速度先后撞擊充液容器時壁面不同位置處變形量的變化(Δt為0～0.20ms)。從圖16和圖17中可看出,破片撞擊充液容器時間間隔對前壁面、后壁面的變形有較大影響,壁面變形量隨著兩破片撞擊時間間隔的增大而減小,但時間間隔增大至0.10ms時對壁面變形將無影響。當破片撞擊時間間隔Δt從0.05ms增至0.10ms時,前壁面最大變形減小14.4%,后壁面最大變形減小14.2%.不同撞擊時間間隔下后壁面變形云圖如圖18所示(v3破片撞擊充液容器的間距和使用時長對壁面損傷的影響本文采用試驗和仿真相結(jié)合的方法,研究了雙破片分別以不同動能、不同間距、不同撞擊時間間隔撞擊充液容器時對壁面損傷的影響。得到如下結(jié)論:1)破片撞擊充液容器的動能越大,壁面變形越大,當壁面出現(xiàn)裂紋時,變形量的增大速度加快。2)雙破片撞擊充液容器時,破片的撞擊點間距對容器前壁面的變形影響較小,對后壁面影響較大。破片撞擊點間距越小,后壁面變形量越大,當破片撞擊點間距增大到破片直徑的2.6倍時,在x軸不同位置