冲击载荷作用下Q345钢失效应变与单元尺寸关系研究_伍星星.pdf

冲击载荷作用下Q345钢失效应变与单元尺寸关系研究伍星星，刘建湖，陈嘉伟，王海坤，张伦平（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）摘要：冲击载荷作用下结构的损伤破坏仿真计算中，材料的失效应变取值与单元尺寸具有很大的关系。为建立冲击载荷作用下结构失效应变与单元尺寸之间的关系，本文以开展的Q345B钢各类力学性能试件（压缩、扭转、拉伸等）获取的材料失效应变为依据，借助数值仿真手段，研究各类试件网格尺寸对失效应变影响关系，并进一步依托开展的弹体穿甲试验、简单方板冲击试验、近场爆炸下舰船毁伤破坏试验，建立三类典型冲击问题中单元失效应变取值与尺寸之间的对应关系。计算结果表明：网格尺寸对单元失效应变的影响主要在于单元尺寸可改变结构变形过程中局部塑性变形分布区域的分布度；不同冲击载荷作用下，由于所使用的单元类型及受力状态存在一定的差异，需针对各类冲击问题分别建立单元失效应变与网格尺寸之间的关系。研究成果可为后续数值仿真计算中单元失效应变的选取提供指导。关键词：断裂试验；数值仿真；失效应变；网格尺寸；应力三轴度中图分类号：U661.4文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.010Influence of element size on failure strain ofQ345B steel under intensive loadingWU Xing-xing,LIU Jian-hu,CHEN Jia-wei,WANG Hai-kun,ZHANG Lun-ping(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)Abstract:Element size used in the numerical simulation of structure damage calculation under intensiveloadings has a strong influence on the value of material failure strain.Firstly,experiments of material mechanical properties including compress tests,torsion tests,tensile tests were performed to acquire the material failure strain.Then,the influence of different element sizes on the failure strain value was studied by numericalsimulation method.The relationship between element size and failure strain was discussed for three typicalshocking engineering problems containing projectile penetrating test,plates shocking test and warship damage test under close-in underwater explosion.The results indicate that the key factor of element size influencing the failure strain is that the element size can change the distribution of the local plastic deformation distribution area during the structural deformation,and that it is necessary to establish an independent relationship between the element failure strain and the mesh size for various impact problems for different stress conditions,capable of providing assistance for selecting accurate failure strain in numerical simulation.Key words:failure experiment;numerical simulation;failure strain;element size;stress triaxiality第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0260-12收稿日期：2022-08-28基金项目：国防基础科研重点项目（B0820132045）；国家重点安全基础研究项目（613279）作者简介：伍星星（1989-），男，硕士，工程师，E-mail:。0 引言得益于计算机硬件水平和有限元分析技术的快速发展，数值仿真手段已成为研究结构在强冲击载荷作用下动态毁伤破坏响应的一种重要手段，准确预测结构的毁伤模式关键在于确定材料的失效应变。随着研究的深入，发现单元的失效应变对网格尺寸具有很强的依赖性。孟利平1等以材料拉伸试件为研究对象，指出单元失效应变与网格尺寸间呈反比关系，并拟合给出了二者的关系表达式；尤小健等2以平板和加筋板为研究对象，采用常应变失效准则，发现随着网格尺寸的增大，不管是加筋板还是平板，都呈减小的趋势，但变化曲线明显不同；Korgesaar等3以落锤冲击作用下平板、加筋板试验结果为依据，研究了不同网格尺寸（L/t=2,5,8,20，L为网格尺寸，t为板厚）对锤头冲击力时程曲线、结构破坏区域的影响；同时Korgesaar等4通过对单轴拉伸试件、双轴拉伸试件破坏进行模拟，更进一步指出单元失效应变与网格尺寸之间的关系还与结构所处应力状态有关，如单轴拉伸试件的失效应变比双轴拉伸试件对网格尺寸更加敏感；Alsos等5通过对S235JR钢开展单轴拉伸试验，基于Barba准则，给出了失效应变与网格尺寸之间的关系式：f=0.24+0.4587tL式中，t为板厚，L为网格尺寸。单元失效应变对网格尺寸具有很强的依赖性，但现阶段国内外尚未有学者能定量给出可用于工程计算的二者之间的表达式，对于深层次的影响机理问题也鲜有人进行深入挖掘，众多学者为排除网格尺寸的影响，常采用将结构单元尺寸细化至对计算结果无影响的做法6-10。诚然，对于较小结构（如材料力学性能试件），可采用该做法，但对于工程中常见的大质量弹体穿甲问题、船舶碰撞问题、舱段模型爆炸冲击响应问题等，采用较小的网格，仿真计算难以继续开展下去，计算效率也会大大降低，因此迫切需要深入研究网格尺寸与失效应变之间的关系。本文以开展的压缩试件、扭转试件、圆棒拉伸试件、缺口拉伸试件、平板拉伸试件断裂试验为基础，借助数值仿真手段建立单元失效应变与网格尺寸之间关系，从机理层面揭示网格尺寸对单元失效应变的影响规律，从而为后续穿甲、舰船抗爆等工程问题仿真计算所涉及的失效应变取值提供依据。1 Q345B钢断裂力学性能试验对Q345B钢开展断裂力学性能试验11，试件类型主要包括光滑圆棒拉伸试件、缺口圆棒拉伸试件、平板拉伸试件、扭转试件、压缩试件等，均取自同一批钢板，各类试件尺寸见图1，参照GB/T 228-2002制作，缺口拉伸试件半径R有2 mm、6 mm、8 mm和18 mm等四种。光滑圆棒及缺口圆棒拉伸试件试验在WDW-100DIII微机控制电子万能试验机上开展，在试件标距段安装引伸计，引伸计标距为50 mm，量程为25 mm。扭转试件试验在NDW-500微机控制电子万能试验机上进行，采用专用扭转试验夹具，试验机的两夹头之一可以沿轴向自由移动，对试件无附加轴向力，两夹头保持同轴。压缩试件试验在WDW-100D微机控制电子万能试验机上进行，试件与试验机的接触面预制了倒角，以避免试验时试件接触面边缘产生应力集中。平板试件拉伸试验在中国船舶科学研究中心振动噪声实10.50.1200.15600.15200.110.50.1100.1120.16480.16440.14-R240.1（a）圆棒拉伸试件（b）平板拉伸试件第2期伍星星等：冲击载荷作用下Q345钢失效应变与 2611368700.1825100.1R12150.1100.10.545（c）扭转试件（d）压缩试件图1 各类试件尺寸示意图Fig.1 Dimensions of different specimens验室MTS材料试验机上进行，试件厚度为3.76 mm。每类试件均进行5次重复试验，以保证试验数据的有效性。圆棒及缺口圆棒拉伸试件试验后的力-位移曲线如图2所示，表1给出了各拉伸试件的试验测量结果，试件断后延伸率通过测量试件断裂前后伸长量得出，试件端面收缩率通过测量试件颈缩部位直径变化得出，试件失效应变通过如下公式求出：t=ln()S0S(1)式中，S0为试件的初始横截面直径，S为断口直径。表1 拉伸试件试验测量结果Tab.1 Results of tension specimens试件类型光滑R=2 mm缺口试件R=6 mm缺口试件R=8 mm缺口试件R=18 mm缺口试件平板拉伸试件断后延伸率/（%）33.994.505.816.047.4875.8断面收缩率/（%）71.8054.6662.8464.8367.9960.9失效应变1.2730.7910.9901.0451.1400.94对于扭转试件，其扭力-转角曲线如图3（a）所示。扭转过程中试件变形较为均匀，Q345B钢断裂时产生的转角为35 rad，断裂应变为1.340，按如下公式计算12：t=13ln()secH+tanH(2).024681012050000100000150000200000Force/NDeformation/mmQ345（a）扭转试件（b）压缩试件图3 扭转、压缩试件力-位移曲线示意图Fig.3 Curve of force-deformation of torsion and compress specimens图2 拉伸试件力-位移曲线示意图Fig.2 Curve of force-deformation of tension specimensR=2缺口圆棒拉伸试件R=6缺口圆棒拉伸试件R=8缺口圆棒拉伸试件R=18缺口圆棒拉伸试件光滑圆棒拉伸试件平板试件262船舶力学第27卷第2期式中，H为试件表面的切应变（扭转角度），tanH=Rl(3)其中，为试验机旋转角度，R为试验段直径，l为试验段标距。对于压缩试件，其压力-位移曲线如图3（b）所示，试验中试件未出现典型的45方向裂纹，未发生破坏，但在压缩过程中由于试件两端与试验机压头之间的摩擦作用力，试件被压缩成圆鼓状，最终Q345B钢压缩率为63%。2 网格尺寸对失效应变影响机理分析2.1 计算模型本节主要利用有限元软件Abaqus进行分析，光滑圆棒、缺口试件、扭转试件、压缩试件均采用二维轴对称模型，平板拉伸试件采用实体单元建立，建立1/2对称模型，模型一端固定，另一端施加位移或者转角载荷。由于本节的目的在于比较不同网格尺寸下单元的失效应变，因此计算模型中不设置失效判据，当试件达到试验获得的最大位移或者转角时，此刻试件的最大等效塑性应变视为断裂应变。各类试件的仿真计算模型见图4，仿真计算过程中材料本构模型输入圆棒拉伸试件获取真实应力应变值，计算过程中需反复调试输入应力应变值（颈缩后阶段应力应变值），直至保证计算输出的载荷位移曲线与试验曲线一致，具体方法见文献13，图5显示的是试件试验载荷位移曲线与有限元计算结图4 各类试件有限元模型示意图F