基于Abaqus的木材侵徹性能的仿真研究

張秋實(shí)，李樹(shù)森，谷志新，張思祺，高景洲

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

基于Abaqus的木材侵徹性能的仿真研究

張秋實(shí)1，李樹(shù)森1，谷志新1，張思祺2，高景洲1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

本試驗(yàn)基于空穴膨脹理論，采用Abaqus軟件及其子程序的二次開(kāi)發(fā)相關(guān)功能對(duì)球形鋼彈侵徹木材進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能仿真模擬，試驗(yàn)選取的侵徹彈體為鎳鉻鋼彈，靶體為興安落葉松試材。試驗(yàn)中，將彈體約束為剛體，并對(duì)靶體的邊界、自由度進(jìn)行了約束，試驗(yàn)后，通過(guò)Abaqus的子程序?qū)υ囼?yàn)進(jìn)行后處理，得到了不同節(jié)點(diǎn)的相關(guān)特性曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像的分析，初步得到了侵徹過(guò)程中木材的能量、位移、接觸力、應(yīng)力的變化，為今后木材抗侵徹性能的深入研究提供了依據(jù)。

木材侵徹性能；空穴膨脹理論；有限元；仿真

侵徹問(wèn)題的數(shù)值模擬仿真是現(xiàn)如今的研究熱點(diǎn)之一，其計(jì)算方法也相對(duì)比較成熟，如彈丸對(duì)金屬，合金，巖石、混凝土等材料靶體的侵徹，但對(duì)于彈體對(duì)木質(zhì)材料靶體的侵徹研究仍然比較少。

木材作為一種環(huán)保材料，具有良好的彈性、耐沖擊性，且作為一種非均質(zhì)的、各向異性的天然高分子材料、許多性質(zhì)都區(qū)別與其他材料，而其力學(xué)性質(zhì)更是與其它均質(zhì)材料具有明顯的差異[1]。木材所有力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)因其含水率(纖維飽和點(diǎn)以下)的變化而產(chǎn)生很大程度的改變；木材會(huì)表現(xiàn)出介于彈性體和非彈性體之間的粘彈性，會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，并且其力學(xué)性質(zhì)還會(huì)受載荷時(shí)間和環(huán)境條件的影響等等[2]，因此，對(duì)木材的研究現(xiàn)在仍然是一個(gè)復(fù)雜的具有挑戰(zhàn)性的課題。

同樣，木材侵徹性研究也是對(duì)木材安全性等性能評(píng)估的一個(gè)重要方面，從而應(yīng)用在木材的選取、檢測(cè)上。如實(shí)驗(yàn)中選取的落葉松，常用在枕木、礦柱、車(chē)輛、建筑等沖擊性較強(qiáng)的環(huán)境中，對(duì)其侵徹性能的研究可以為以后其安全性能的提高提供一定的理論依據(jù)。

1 沖擊動(dòng)力方程

在研究的問(wèn)題中，木材在沖擊載荷的作用下，其力學(xué)響應(yīng)往往伴隨著結(jié)構(gòu)的變形、轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至進(jìn)入塑性狀態(tài)[3]，這屬于幾何、材料等非線(xiàn)性的問(wèn)題，因此需要運(yùn)用沖擊力學(xué)來(lái)研究木材在動(dòng)載荷作用下的運(yùn)動(dòng)、變形和破壞規(guī)律。

根據(jù)空穴膨脹理論，確定靶體空穴以不同速度v擴(kuò)展時(shí)空穴表面的應(yīng)力大小[4]：

式中：A、B、C為常數(shù)；Y為靶體準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度；ρ0為靶體密度。

在侵徹過(guò)程中并未把靶體當(dāng)做剛體來(lái)處理，這樣就必須考慮靶體所采用的本構(gòu)方程[5]：

其中，E為楊氏模量，ε為等效應(yīng)力，εp為等效塑性應(yīng)變，δp為等效塑性應(yīng)變率，Yp為彈體的屈服強(qiáng)度，εp0為參考應(yīng)變，δp0為參考應(yīng)變率，m和n為材料常數(shù)。

用彈體表面壓力函數(shù)代替靶體對(duì)彈體的作用，彈體各節(jié)點(diǎn)的正壓力函數(shù)可以表示為[6]。

其中，vI表示節(jié)點(diǎn)的速度矢量，n表示彈體表面在節(jié)點(diǎn)處向外的法向方向。

2 木材侵徹建模

2.1 試驗(yàn)選材

興安落葉松木材紋理通直，脹縮性小，沖擊韌性好，順壓及抗彎強(qiáng)度高，劈裂強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)度中等以上，不翹曲、開(kāi)裂，抗彎強(qiáng)度、彈性模量和硬度等性質(zhì)適中，耐腐朽和蟲(chóng)蛀，耐磨損，握釘力較強(qiáng)，油漆性能良好。且興安落葉松木材重而堅(jiān)實(shí)，木材工藝價(jià)值高，是電桿、枕木、橋梁、礦柱、車(chē)輛、建筑等優(yōu)良用材。同時(shí)，興安落葉松樹(shù)勢(shì)高大挺拔，冠形美觀(guān)，根系十分發(fā)達(dá)，抗煙能力強(qiáng)，是優(yōu)良的園林綠化樹(shù)種[7]。

基于其上述特性，選擇興安落葉松為侵徹試驗(yàn)的靶體。靶體規(guī)格為底面半徑0.25 m，厚度0.05 m，利用pro/E軟件對(duì)靶體的順紋狀態(tài)進(jìn)行建模，靶體的相關(guān)參數(shù)如表1[8]：

2.2 侵徹試驗(yàn)仿真

2.2.1 構(gòu)建模型

本試驗(yàn)用鎳鉻鋼GH600作為侵徹彈體，其規(guī)格為一個(gè)半徑為0.05 m的球體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，隨著彈體撞擊速度從小逐漸增大，對(duì)靶體的沖擊效果從靶體凹陷、靶體侵入一直到靶體貫穿，以撞擊靶體的速度為500 m/s為例，研究沖擊過(guò)程總靶體的動(dòng)態(tài)變化。其中鎳鉻鋼的試驗(yàn)相關(guān)物理特性參數(shù)如表2[9]。

表1 興安落葉松物理特性參數(shù)Table 1 Physical properties of Larix wood

表2 鎳鉻鋼GH600的物理特性參數(shù)Table 2 Physical properties of nickel chrome steel GH600

在本試驗(yàn)中，將彈體(鎳鉻鋼球)約束為剛體，對(duì)靶體興安落葉松而言，盡管木材是各向異性的，但是在試驗(yàn)中的邊界條件是對(duì)稱(chēng)的，且選擇的靶體試件同樣是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)圖形，并對(duì)其自由度進(jìn)行了約束，所以為了便于觀(guān)察與分析，試驗(yàn)中取靶體的一半進(jìn)行建模仿真[10-13]，用靶體的一半與整個(gè)彈體構(gòu)造試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為4e-5s（見(jiàn)圖1）。

圖1 侵徹模型Fig.1 Penetration model

本次試驗(yàn)的主要研究對(duì)象為靶體，在利用Abaqus軟件進(jìn)行分析與仿真時(shí)，共為靶體加了260個(gè)種子，將其分為了36 000個(gè)網(wǎng)格，并呈現(xiàn)中間處最密，越往外越疏的分布狀態(tài)。

2.2.2 侵徹過(guò)程

在侵徹過(guò)程中，設(shè)定鋼彈(彈體)以500 m/s的速度垂直于靶體試件(沿Z軸正方向)打入靶體。我們用仿真軟件Abaqus對(duì)侵徹后的靶體破壞情況進(jìn)行了仿真，并得到了被侵徹后的靶體應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 靶體侵徹面應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud map of target body penetration surface

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 系統(tǒng)內(nèi)能與動(dòng)能

系統(tǒng)的內(nèi)能與動(dòng)能變化過(guò)程見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 系統(tǒng)動(dòng)能隨時(shí)間變化Fig.3 Changes of system kinetic energy with time

圖4 系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間變化Fig.4 Changes of system internal energy with time

在侵徹過(guò)程中，隨著侵徹程度的加深，因?yàn)閺楏w被約束為剛體，認(rèn)為彈體的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘畜w的應(yīng)變能，由于摩擦與損耗，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘畜w的內(nèi)能。

2.3.2 各方向接觸力

利用Abaqus商業(yè)軟件的后開(kāi)發(fā)分析功能，輸出靶體XYZ軸3個(gè)方向的接觸力隨時(shí)間推進(jìn)的變化情況，如圖5。在圖中可以明顯觀(guān)察到，平行于靶體的剖切面(Y軸方向)的接觸力變化幅度不大，而彈體的運(yùn)動(dòng)方向與垂直于剖切面方向(Z軸方向、X軸方向)的接觸力總體上呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)，且彈體運(yùn)動(dòng)方向上的接觸力波動(dòng)較大，X軸方向的接觸力也有明顯的波動(dòng)，這與木材的各項(xiàng)異性、粘滯性有關(guān)。

圖5 XYZ軸方向接觸力隨時(shí)間變化Fig.5 Changes of contact forces of axis direction with time

2.3.3 位移隨時(shí)間的變化

沿Y軸方向依次取同一平面的5個(gè)點(diǎn)node250，node257，node265，node2308，node2321，輸出5個(gè)點(diǎn)的位移時(shí)間圖像（見(jiàn)圖6）。圖中，剛開(kāi)始靶體未被破壞之前各節(jié)點(diǎn)位移較為平穩(wěn)，被破壞后，各節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間推進(jìn)總體呈上升趨勢(shì)，且變化率逐漸增大，其中越接近侵徹中心位移的變化越大。

圖6 位移隨時(shí)間變化Fig.6 Changes of displacement with time

2.3.4 同一路徑上應(yīng)力的比較

在同一平面(X-Y平面)上依次選取 node546-node39-node-2344-node266-node259- node348-node241-node83 8點(diǎn)，以這5點(diǎn)為一個(gè)路徑，輸出在此路徑上最大應(yīng)力的變化，如圖7。圖中，越接近侵徹中心的點(diǎn)應(yīng)力越大，遠(yuǎn)離侵徹中心，應(yīng)力總體呈變小趨勢(shì)，但變化率不同，與木材的各向異性有關(guān)。

圖7 同一路徑上應(yīng)力的變化Fig.7 Changes of stress on the same path

3 結(jié) 論

通過(guò)進(jìn)行的仿真模擬試驗(yàn)分析，在球形鋼彈侵徹興安落葉松靶體的過(guò)程中，系統(tǒng)的動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變力，最后轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)能；侵徹過(guò)程中，靶體在彈體運(yùn)動(dòng)方向上的接觸力最大，由于木材各向異性的原因，波動(dòng)非常強(qiáng)烈，垂直于彈體運(yùn)動(dòng)方向的接觸力較小，且變化趨勢(shì)不大；靶體位移一開(kāi)始較為平穩(wěn)，被破壞后隨時(shí)間逐漸變大，且變化率越來(lái)越大，其中接近侵徹中心的位移變化最大，最早，說(shuō)明靶體從侵徹中心處最先開(kāi)始被破壞；且侵徹中心處靶體的應(yīng)力最大，越遠(yuǎn)離侵徹中心最大應(yīng)力越小，但變化不平均、不對(duì)稱(chēng)。

通過(guò)本次試驗(yàn)，對(duì)興安落葉松被球形彈丸侵徹時(shí)自身的動(dòng)態(tài)性能有了一個(gè)初步的定量分析，為木材抗球形彈丸侵徹這一課題提供了一定的參考依據(jù)。

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Simulation study of wood penetration performance based on Abaqus

ZHANG Qiu-shi1, LI Shu-sen1, GU Zhi-xin1, ZHANG Si-qi2, GAO Jing-zhou1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China; 2. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China)

By using cavity-expansion theory, the dynamic process of spherical steel bullet penetrating wood was simulated with Abaqus and its subroutine (second development related feature). The tested bullet for the penetration process in the experiment was nickelchromium steel bullet, the selected target body was made of larch wood. In this experiment, the bullet was restricted as a rigid body, and the boundary and the freedom of the target were also restricted. After the experiment, the characteristic relative curves on different nodes were obtained by processing the experimental data with the subroutine of Abaqus. After the analysis of the curves, the variations of the energy, displacement, contact force and stress of wood during the process of penetration were obtained, which provide basis for in-depth study of wood penetration performance.

wood penetration performance; cavity expansion theory; fi nite element method; simulation

S781.29

A

1673-923X(2014)01-0125-04

2013-09-20

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（優(yōu)秀學(xué)科帶頭人）（2012RFXXG007），東北林業(yè)大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究基金項(xiàng)目（JGXM_XJ_2012003）

張秋實(shí)（1989-），男，山東鄒平人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)與林業(yè)機(jī)械

李樹(shù)森（1963-），男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，博士生導(dǎo)師；研究方向：農(nóng)業(yè)與林業(yè)機(jī)械，機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法等；E-mail：lishusenzp@126.com

[本文編校：吳 毅]