高速撞擊下雙層殼體結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

王怡月 劉筱玲 富 裕

雙層殼體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程、重型武器,用于打擊地下深層目標(biāo)。為了保護(hù)彈體在突破地面防護(hù)結(jié)構(gòu)前安全、不發(fā)生爆炸,需要設(shè)計(jì)合理的殼體結(jié)構(gòu),以提高外層殼的穿甲能力。以往研究多集中于圓柱殼、單殼,其沖擊載荷作用下的屈曲行為一直是人們關(guān)注的問(wèn)題[1-5],本文研究錐形雙層殼體沖擊下的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)對(duì)原型結(jié)構(gòu)的仿真分析,依據(jù)材料撞擊下能量耗散機(jī)理,對(duì)原型雙層殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以防護(hù)內(nèi)體、確保彈體空中飛行參數(shù)和節(jié)約材料為目的的改進(jìn)設(shè)計(jì)。先后改進(jìn)設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu),并分別對(duì)其在52 m/s初速度下垂直撞擊鋁合金靶體過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了不同結(jié)構(gòu)的外殼、中殼、內(nèi)體的動(dòng)力響應(yīng)模態(tài)和動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比,確定了改進(jìn)效果明顯的雙層殼結(jié)構(gòu)模型。

1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用LY12鋁材料。在高速?zèng)_擊變形條件下,材料的力學(xué)性能與材料的變形速度密切相關(guān)[6-8]。雙層殼體高速撞擊靶體的過(guò)程中,結(jié)構(gòu)將承受動(dòng)態(tài)壓縮變形,需要測(cè)試結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)特性。為此,設(shè)計(jì)了圓柱體試樣的直徑為8 mm,高為6 mm,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)機(jī)?？紤]到雙層殼體撞擊靶體時(shí)的設(shè)計(jì)要求,材料實(shí)驗(yàn)時(shí)彈頭撞擊速度取為52 m/s。

2 計(jì)算模型

2.1 模型的建立

采用高效的顯示時(shí)間積分技術(shù)的拉格朗日求解器,采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。中殼與內(nèi)部彈體接觸面、中殼與外殼接觸面、外殼與靶體撞擊接觸面均采用自適應(yīng)主從接觸,各接觸面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3,靜摩擦系數(shù)為0.65。材料的本構(gòu)模型依照實(shí)驗(yàn)獲得的工程應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù),建立了材料場(chǎng)來(lái)描述。靶體的厚度取為60 mm,彈體和靶體材料都為L(zhǎng)A12鋁合金,取實(shí)際實(shí)驗(yàn)的材料參數(shù)。由于模型、邊界條件等為軸對(duì)稱(chēng),此處建立1/4模型。

2.2 多組結(jié)構(gòu)方案

為了保證彈體設(shè)計(jì)之初的飛行參數(shù),本文根據(jù)材料撞擊下能量耗散機(jī)理,參照原型結(jié)構(gòu)1,設(shè)計(jì)了三種不同的雙層殼體結(jié)構(gòu):

1)對(duì)比原型結(jié)構(gòu)1,本文在結(jié)構(gòu)2中,把外殼和中殼的接觸改為環(huán)形支架接觸,中殼的頭部與外殼的頭部分離、懸空。結(jié)構(gòu)2外殼和中殼的支架長(zhǎng)度之和等于結(jié)構(gòu)1中殼的支架長(zhǎng)度。外殼的頭部厚度減小了一半,并且外殼頭部?jī)?nèi)側(cè)由原先的平面改為半球面結(jié)構(gòu);

2)結(jié)構(gòu)3中,對(duì)外殼前半部分的支架位置進(jìn)行了上移,使其與中殼的支架位置交錯(cuò)設(shè)置;

3)結(jié)構(gòu)4中,在結(jié)構(gòu)3基礎(chǔ)上,外殼頭部厚度減小到10 mm。

3 計(jì)算結(jié)果

四組結(jié)構(gòu)中,其內(nèi)部實(shí)體最大應(yīng)變部位的Von Mises等效應(yīng)力—時(shí)間曲線如圖1所示。

3.1 多組結(jié)構(gòu)外、中殼的動(dòng)態(tài)特性分析

由于內(nèi)體對(duì)中殼前端支架的慣性沖擊,結(jié)構(gòu)1前端平面、前部各個(gè)環(huán)形支架處出現(xiàn)塑性應(yīng)變,其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.48×10-1,位于前部第一個(gè)環(huán)形支架與內(nèi)部彈體接觸處,這時(shí)中殼內(nèi)的最大等效應(yīng)力為1.74×109Pa,出現(xiàn)的時(shí)刻大約在3.75×10-3s。結(jié)構(gòu)1最大應(yīng)力值出現(xiàn)的時(shí)間比結(jié)構(gòu)2,3和4早。

在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上的外殼減薄,與中殼采用支架支撐后,結(jié)構(gòu)2的支架長(zhǎng)度較結(jié)構(gòu)1減半,沖擊后外殼的沖擊變形明顯提高。但是對(duì)比結(jié)構(gòu)1,中殼對(duì)外殼的大應(yīng)力作用時(shí)間推遲。結(jié)構(gòu)2的中殼最大塑性應(yīng)變1.90×10-1,位于前部第一個(gè)環(huán)形支架與內(nèi)部彈體接觸處。最大等效應(yīng)力1.93×109Pa,出現(xiàn)在6.5×10-3s。

結(jié)構(gòu)3的外殼和中殼前半部分產(chǎn)生了與結(jié)構(gòu)2類(lèi)似的塑性變形,但是變形分布更均勻。外、中殼的支架交錯(cuò)分布,結(jié)構(gòu)的均勻變形明顯可吸收內(nèi)部彈體的沖擊能量,防護(hù)作用明顯。外、中殼最大塑性應(yīng)變均產(chǎn)生在最前端環(huán)形支架與中殼的接觸部位,外殼最大塑性應(yīng)變?yōu)?.58×10-2,最大等效應(yīng)力為1.5×109Pa,出現(xiàn)的時(shí)刻大約在6.66×10-3s。中殼最大塑性應(yīng)變?yōu)?.80×10-1。

在較大的沖擊載荷作用下,結(jié)構(gòu)4外殼的頭部和前端環(huán)形支架處產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形,其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.34×10-1,因此,結(jié)構(gòu)前部受阻面積增大,造成最大等效應(yīng)力反而提高,為1.7×109Pa,出現(xiàn)在 0.8×10-2s～1×10-2s。中殼的塑性應(yīng)變?nèi)匀环植荚谇安康母鳝h(huán)形支架處,由前向后依次減小。中殼最大塑性應(yīng)變?yōu)?.97×10-1,位于前部第一個(gè)環(huán)形支架與內(nèi)部彈體接觸處。最大等效應(yīng)力為1.93×109Pa,出現(xiàn)在大約7.2×10-3s。

3.2 各組殼體結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部彈體的防護(hù)程度

結(jié)構(gòu)1中,由于沖擊載荷較大,外殼和中殼的支架過(guò)長(zhǎng)、過(guò)薄,支架?chē)?yán)重變形,內(nèi)體與中殼頭部嚴(yán)重碰撞,產(chǎn)生較大變形。內(nèi)體頭部最大塑性應(yīng)變?yōu)?.91×10-2,最大等效應(yīng)力為 1.37×109Pa,約出現(xiàn)在3.6×10-3s,如圖1所示。

結(jié)構(gòu)2內(nèi)體的頭部塑性變形較結(jié)構(gòu)1減小,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.48×10-2,最大等效應(yīng)力為 1.21×109Pa,約出現(xiàn)在6.66×10-3s,見(jiàn)圖 2。

對(duì)比結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2,可以看出外殼和中殼接觸改為支架接觸,中殼支架的長(zhǎng)度減半,在沖擊過(guò)程中,對(duì)內(nèi)部彈體的防護(hù)作用改進(jìn)效果明顯,且內(nèi)體所受應(yīng)力初始峰值延遲。

結(jié)構(gòu)3內(nèi)體頭部塑性變形相比結(jié)構(gòu)2進(jìn)一步減小,其最大塑性應(yīng)變?yōu)?2.32×10-2,最大等效應(yīng)力為 1.15×109Pa,出現(xiàn)在大約6.66×10-3s時(shí)刻,如圖3所示。

由此看出當(dāng)外殼支架和中殼支架位置交錯(cuò)分布后,可明顯緩沖載荷對(duì)支架和內(nèi)部彈體的沖擊作用,內(nèi)部彈體的塑性變形明顯減小。沖擊過(guò)程中,結(jié)構(gòu)3的防護(hù)裝置對(duì)內(nèi)部彈體的防護(hù)作用進(jìn)一步增強(qiáng)。

結(jié)構(gòu)4內(nèi)體最大塑性應(yīng)變?yōu)?.69×10-3,其最大等效應(yīng)力為1.06×109Pa,出現(xiàn)的時(shí)刻大約在7.1×10-3s,如圖4所示。防護(hù)達(dá)到最佳,且結(jié)構(gòu)4所受到的最大應(yīng)力的時(shí)間推遲。但是外殼頭部變形嚴(yán)重,影響了彈體的工作參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)改變外殼、中殼、內(nèi)體之間的接觸形式為支架交錯(cuò)型設(shè)計(jì),使防護(hù)裝置變形區(qū)域分散,對(duì)緩沖吸收沖擊能量起到良好效果,緩沖了內(nèi)體的沖擊影響,且時(shí)間延后。外殼頭部設(shè)計(jì)適當(dāng)減薄,增大內(nèi)體前沖空間,對(duì)沖擊能量的吸收提供了有利條件,內(nèi)體的塑性變形明顯減小;由結(jié)構(gòu)1的單層支架形式,改為結(jié)構(gòu)2,3的雙層支架形式,雖支架總長(zhǎng)沒(méi)變,但對(duì)內(nèi)體的防護(hù)效果明顯不同。

2)通過(guò)上述仿真分析,第三組殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)體的塑性變形有效減小,最大等效應(yīng)力發(fā)生時(shí)間延遲,提高了保護(hù)內(nèi)部彈體作用,為最佳結(jié)構(gòu)。

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