鋼筋直徑和分布對鋼筋混凝土靶抗侵徹性能的影響

焦志剛，黃煜唯,夏玉學(xué)

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.北京航天長征機(jī)械設(shè)備制造有限公司，北京 101111)

混凝土作為當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣、用量最大且最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料，由于其具有良好的耐久性、耐火性、較好的可澆注性等優(yōu)良性能和來源廣泛等特點(diǎn)[1]，在軍事和民用方面都有極大的應(yīng)用。對于依靠厚實(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)的目標(biāo)，侵徹是各種彈藥對該類目標(biāo)主要?dú)侄沃籟2]。利用戰(zhàn)斗部有效打擊地下工事,或提高地下工事的防護(hù)能力,一直受到廣泛關(guān)注。穆朝民等[3]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了彈丸對鋼筋混凝土中鋼筋交匯處的侵徹效應(yīng)，結(jié)果表明，配筋直徑和網(wǎng)眼尺寸對侵徹深度的影響較大。咸玉席[4]通過數(shù)值模擬方法研究了彈丸撞擊下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全計(jì)算與評估，結(jié)果表明，曲率的存在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力有利。劉濤[5]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法探索了鋼筋混凝土柱的配筋新模式,結(jié)果表明，新型配筋模式的混凝土柱具有較高的強(qiáng)度和變形能力。周寧等[6]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法研究了配筋結(jié)構(gòu)對彈丸侵徹過程影響，結(jié)果表明，網(wǎng)眼間距越小,彈丸峰值負(fù)加速度越大。鋼筋混凝土模型建立是仿真計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)之一,目前，對鋼筋混凝土靶板的建模方法主要有整體式、分離式和組合式三種方法。本文采用分離式的建模方法，運(yùn)用數(shù)值模擬研究鋼筋直徑和分布對鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能的影響。

1 模型建立及材料參數(shù)選取

1.1 幾何模型和有限元模型的建立

選取彈丸彈長508mm，直徑100mm，頭部曲徑比CRH=1.68。鋼筋混凝土靶尺寸為2000mm×2000mm×300mm,混凝土中間布置兩排鋼筋網(wǎng)，排間距為150mm，每排鋼筋以125mm×125mm形式布置，鋼筋直徑為12mm；本文采取三維軸對稱的方法建立彈靶有限元模型，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，建立彈靶的1/2幾何模型，根據(jù)彈丸和靶板的基本尺寸，利用Proe繪圖軟件建立彈靶三維幾何模型,彈靶模型的具體幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 彈體和鋼筋混凝土靶靶的基本尺寸

在Proe軟件中繪制三維幾何模型，導(dǎo)入到ANSYS/Workbench中，利用該軟件自帶的劃分網(wǎng)格功能依次對彈靶模型各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置接觸并定義約束。SPH(光消粒子流體動(dòng)力學(xué)方法)法是數(shù)值模擬中常用的方法，其基本思想是將整個(gè)流場的物質(zhì)離散轉(zhuǎn)化為一系列粒子，這些粒子具有各自的能量、速度、質(zhì)量特征，然后通過一個(gè)核函數(shù)的積分進(jìn)行估值，計(jì)算得出不同位置在不同時(shí)間的各種動(dòng)力學(xué)量。在AUTODYN中，將彈丸和靶板的Lagrange網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為SPH粒子，其中，彈丸和鋼筋Lagrange網(wǎng)格采用大小為1mm的粒子轉(zhuǎn)化，混凝土部分Lagrange網(wǎng)格采用大小為2mm的粒子轉(zhuǎn)化，共計(jì)64252204個(gè)SPH粒子。彈靶板有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 彈靶板有限元模型圖

1.2 材料參數(shù)選取

彈體材料采用4340鋼，鋼筋采用1006鋼，混凝土為CONC-35MPa。材料參數(shù)見表1。

表1 模型材料參數(shù)

2 仿真計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際工程建筑中,鋼筋的粗細(xì)與鋼筋布置的疏密程度是影響靶板抗侵徹性能的2個(gè)主要方面，以下仿真計(jì)算僅針對彈丸垂直入侵鋼筋孔正中心。

2.1 改變鋼筋直徑

固定鋼筋的排列方式,通過改變鋼筋的直徑d,對彈丸侵徹鋼筋混凝土靶進(jìn)行一系列數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)際情況，彈丸初速度設(shè)定為800m/s。仿真計(jì)算主要有以下兩類模型：(1)彈丸直徑小于鋼筋間距(鋼筋間距設(shè)定為125mm)；(2)彈丸直徑大于鋼筋間距(鋼筋間距設(shè)定為96mm)。針對以上兩種模型，分別選取直徑為6mm、9mm、12mm、15mm和18mm的鋼筋。模型1仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型1靶板毀傷云圖和鋼筋破壞情況

從圖3中看出，鋼筋直徑逐漸變大時(shí)，由于鋼筋與靶板之間的接觸面積逐漸變大，鋼筋與靶板之間的粘結(jié)作用也會(huì)逐漸變強(qiáng)，靶板邊緣的毀傷情況也不一樣，根據(jù)鋼筋混凝土靶板毀傷云圖可知，鋼筋直徑逐漸變大時(shí)，鋼筋混凝土靶板被撞擊后的毀傷程度逐漸減小，靶板的抗侵徹能力逐漸變大。表2給出了不同鋼筋直徑下彈丸穿過鋼筋混凝土靶板后的剩余速度Vr、剩余動(dòng)能Er和初始動(dòng)能E0之比。

表2 模型1彈丸靶后的剩余速度和剩余動(dòng)能

表2表明，彈丸直徑小于鋼筋間距時(shí)，增大鋼筋直徑可以提高靶板強(qiáng)度，但彈丸穿過靶板后剩余速度和剩余動(dòng)能改變量很小。模型2仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型2靶板毀傷云圖和鋼筋破壞情況

從圖4可以看出，彈丸直徑大于鋼筋間距，鋼筋直徑逐漸變大時(shí)，鋼筋混凝土靶板被撞擊后的毀傷程度逐漸減小，鋼筋的破壞程度逐漸減小。表3給出了不同鋼筋直徑下彈丸穿過鋼筋混凝土靶板后的剩余速度Vr、剩余動(dòng)能Er和初始動(dòng)能E0之比。

表3 模型2彈丸靶后的剩余速度和剩余動(dòng)能

從表3可以看出，彈丸直徑大于鋼筋間距時(shí)，通過增大鋼筋直徑可以提高靶板強(qiáng)度；當(dāng)彈丸直徑從6mm提高到9mm時(shí)，彈丸動(dòng)能多消耗了4%；當(dāng)彈丸直徑提高到18mm時(shí)，彈丸動(dòng)能多消耗了12%。

通過以上結(jié)果分析可知，改變鋼筋直徑可以改變鋼筋混凝土靶板的強(qiáng)度，當(dāng)彈丸直徑小于鋼筋間距時(shí)，改變鋼筋直徑對鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能影響很??；當(dāng)彈丸直徑大于鋼筋間距時(shí)，改變鋼筋直徑對鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能影響較大。

2.2 改變鋼筋間距

選鋼筋直徑為12mm，選用的彈丸尺寸與模型1相同，通過改變鋼筋在靶板中排列的疏密程度來改變靶板強(qiáng)度，鋼筋間距分別設(shè)定為120mm、140mm、160mm、200mm和240mm，對以上模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 靶板毀傷云圖和鋼筋破壞情況

由圖5可知，當(dāng)鋼筋間距逐漸變大時(shí)，靶板的毀傷越大，鋼筋混凝土靶板的抗侵徹能力逐漸減?。讳摻罹嚯x變大后，受彈丸的沖擊力變小，所以鋼筋變形程度逐漸減小。

圖6為不同鋼筋間距時(shí)，彈丸穿靶過程速度變化曲線。

圖6 彈丸穿靶過程速度變化曲線

由圖6可知，彈丸穿靶后的剩余速度分別為652.1m/s、660.2m/s、670.9m/s、685.9m/s和704.8m/s，表明鋼筋間距越大，彈丸穿靶后的剩余速度越大，證明鋼筋排列間距對鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能有較大影響。

3 結(jié)論

(1)彈丸直徑大于鋼筋間距時(shí)，增大鋼筋直徑，鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能增強(qiáng)，但影響較大；(2)當(dāng)彈丸直徑小于鋼筋間距時(shí)，增大鋼筋直徑，鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能增強(qiáng)，且影響較?。?3)增大鋼筋間距，鋼筋混凝土靶板的抗侵徹性能減弱。