不同子弹构型霍普金森杆入射波数值模拟分析.pdf

工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 9收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:国家重点研发计划基金资助项目(2 0 1 9 Y F C 0 8 1 0 8 0 0);国家自然科学青年基金资助项目(5 1 4 0 4 2 7 7);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2 0 2 2 Y J S AQ 1 5)作者简介:解北京(1 9 8 4-),男,博士,副教授,从事安全科学与工程方面的研究与教学。E-m a i l:b j x i e 1 9 8 41 6 3.c o m不同子弹构型霍普金森杆入射波数值模拟分析解北京,石嘉煜(中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京1 0 0 0 8 3)摘 要:为探索子弹(撞击杆)构型对霍普金森杆入射波形状的影响,基于L S-D YNA有限元软件,分别建立不同构型的子弹模型进行冲击数值模拟。模拟结果表明:子弹长度、形状和材质的改变,会造成入射波的改变,其主要从脉冲形状、持续时间、应力波峰值、应力波上升下降的快慢等方面体现;长度较大的钢、铝子弹能够满足软材料冲击应力平衡的条件;尼龙子弹的整体上升沿和下降沿都较短,波形较窄,能够满足应力-应变相应线性度较高材料冲击的实验条件。模拟结果对霍普金斯杆实验时子弹的选型具有重要的参考意义。关键词:霍普金森杆;数值模拟;入射波形;子弹选型中图分类号:T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 2 0 1 3 0N u m e r i c a l s i m u l a t i o no n i n c i d e n tw a v eo fH o p k i n s o nB a rw i t hd i f f e r e n tb u l l e t c o n f i g u r a t i o n sX I EB e i-j i n g,S H I J i a-y u(S c h o o lo fE m e r g e n c yM a n a g e m e n ta n dS a f e t yE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g&T e c h n o l o g y(B e i j i n g),B e i j i n g1 0 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h e i n f l u e n c eo f b u l l e t(i m p a c t r o d)c o n f i g u r a t i o no n t h e i n c i d e n tw a v e s h a p eo fH o p k i n s o nr o d,b a s e do nL S-D YNAf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e,b u l l e tm o d e l sw i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yf o ri m p a c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n.T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e c h a n g eo f b u l l e t l e n g t h,s h a p e a n dm a t e r i a lw i l l c a u s e t h ec h a n g eo f i n c i d e n tw a v e,w h i c h i sm a i n l y r e f l e c t e d i n t h e a s p e c t so f p u l s e s h a p e,d u r a t i o n,p e a kv a l u eo f s t r e s sw a v e a n d t h es p e e do f r i s ea n df a l l o f s t r e s sw a v e;S t e e l a n da l u m i n i u mb u l l e t sw i t hl a r g e l e n g t hc a nm e e t t h ec o n d i t i o n so f i m p a c t s t r e s sb a l a n c eo f s o f tm a t e r i a l s;T h eo v e r a l lr i s i n ge d g ea n df a l l i n ge d g eo fn y l o nb u l l e ta r es h o r ta n dt h ew a v e f o r mi sn a r r o w,w h i c hc a nm e e tt h et e s tc o n d i t i o n so fm a t e r i a l i m p a c tw i t hh i g hc o r r e s p o n d i n gl i n e a r i t yo fs t r e s s-s t r a i n.T h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v e i m p o r t a n t r e f e r e n c es i g n i f i c a n c e f o r t h es e l e c t i o no fb u l l e t s i nH o p k i n sr o dt e s t.K e yw o r d s:H o p k i n s o nB a r;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;i n c i d e n tw a v e f o r m;b u l l e t s e l e c t i o n 霍普金森杆因适合中、高应变率材料的冲击实验,被广泛应用于航空航天、煤炭、军工、金属、土木等各个领域1。国内外学者对各类试样在不同条件下的冲击进行了大量实验,主要成果集中在单轴应力状态或三轴应力状态下的压、拉实验中,但大多数是对不同试样或应力条件的实验,对子弹构型对实验结果的影响相关研究较少。李康文等2通过实验,认为子弹速度对入射波波形有E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1-9较大影响,子弹速度越大入射波峰值越大。杨阳等3研究了双锥形、梭形子弹对入射波形的数值模拟分析,认为子弹的直径、端面直径、锥段比例等会对入射波形产生影响,合适的子弹能够有效消除波形中的P-C振荡。李鹏等4通过对柱锥形、阶梯型等几种子弹对入射波形的实验分析,对入射波形状上升沿、下降沿、波峰值大小的影响因素进行了研究。方新宇等5研究了等截面子弹、锥形子弹、变截面子弹的入射波形,为设计打出理想半正弦波的子弹提供了理论依据;邹广平等6使用空心锥子弹対冲击后波形弥散效应的影响进行了研究,认为其对入射波形的初始振荡抑制效果较好。不同材料因其性质的差异,在进行冲击实验时需要不同的入射脉冲。脆性材料如陶瓷、玻璃、冰、岩石等,在小应变时即发生破坏,需要线性的入射上升沿,才能在加载的大部分时间范围内满足动态应力平衡。应力-应变响应线性度越高,越需要近乎线性的入射波7-1 1,如人造橡胶、泡沫、凝胶等软材料,为了应力平衡,需要入射波的升时较常规材料增大近1 0倍,要求入射波应为一个平台并在平台前有一个长的上升沿,即表现为梯形形状1 2-1 4。对于韧性材料,要保证以高应变率压缩试件,除了随时间增加的入射波以维持塑性变形时的 恒 定 工 程 应 变 率 外,还 应 有 足 够 高 的幅值1 5-1 6。霍普金森杆实验设备的基本原理是细长杆中弹性应力波的传播理论,该理论建立在一维假定和应力均匀假定两个基本假定的基础上1 1,实验中所采取的子弹基本局限在小尺寸的金属材料上。为此,在前人的研究基础上重点分析不同子弹长度和材质对入射波形的分析,并在模拟中首次引入了高聚物尼龙子弹模型,为实验研究人员对于入射脉冲的要求和选型提供参考。1 实验技术与模型建立1.1 实验技术尽管霍普金森杆在材料性能进行相关冲击的分析十分有效,但由于冲击的过程是一个微秒级的瞬态过程,对于微小应力变化较难分析,并且实验准备过程复杂,受外部因素影响可能性较大,导致实验成本增加,随着计算机模拟程序的发展,可以通过数值模拟直观地展现出冲击过程中的应力波变化过程,因此能够较好地对相关实验进行验证和补充,将实验与数值模拟相结合的研究方法受到了中外学者的欢迎1 7-2 3。L S-D YNA有限元软件因其能够较好模拟实验计算,将被用于此次实验的数值模拟。霍普金森杆主要包括子弹、入射杆、试样、透射杆、吸收杆2 4等,这也是数值模拟建立模型的主要部分,辅助装置包括动力系统、测速器、应变提取系统、数据处理系统等,可不在数值模拟中体现。实验系统如图1所示,实验原理如图2所示,子弹由气枪内高压空气打出,经测速器测速后将弹性波沿入射杆轴向传播产生入射脉冲i,当应力脉冲通过入射杆到达试件时,试件会在脉冲的作用下产生形变,并对入射杆产生反向的反射脉冲r,对透射杆产生一正向的透射脉冲t。图1 霍普金森杆实验系统F i g.1 H o p k i n s o nB a re x p e r i m e n t a l s y s t e m图2 实验原理F i g.2 E x p e r i m e n t a l s c h e m a t i c1.2 模型建立根据前人的研究和总结,针对不同子弹构型分别进行霍普金森杆冲击实验模拟研究。模拟研究重点为子弹和入射脉冲,提取入射杆中单元可获得应力信息,建立模型时只需考虑子弹和入射杆模型便能满足研究需求。所有模型均采用虎克2工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4线弹性模型,子弹只考虑密度、弹性模量和泊松比3项参数,具体参数如表1所示,入射杆采用钢材料,参数同钢子弹。表1 子弹材料参数T a b l e1 B u l l e tm a t e r i a lp a r a m e t e r材料名称钢铝尼龙密度/(gc m-3)7.92.71.1 3弹性模量/G P a2 1 07 03.5泊松比0.30.3 30.2 8 分别建立不同构型的子弹,因其为对称结构,为方便划分网格和模拟运算建立1/4模型。划分网格的紧密程度会对运算结果产生较大影响,经多次实验讨论,决定划分网格数量如下:沿围向和径向分为1 5份,沿子弹轴向分为3 0份,沿入射杆轴向分为3 0 0份。子弹初速度设置为沿轴向方向1 0m/s并在径向施加位移约束,子弹与入射杆之间采用面面自动接