原创应力波在弹体侵彻靶板中的传播特性研究

 2009-9-20 09:23  1393 4 4 分类: FPGA/CPLD

应力波在弹体侵彻靶板中的传播特性研究
作者：时间：2009-05-13 来源:

1 引言　　当弹体冲击目标时，相当于在弹体前端施加了一个冲击力。因为加载速率很快，在弹体中将产生弹塑性应力波的传播，从而引起弹体中每一点的应力、位移、速度、加速度发生突变。尤其对杆式侵地武器，更要考虑应力波传播对加速度信号的影响。　　高速撞击时，固体中产生的应力波的传播计算是相当复杂的，特别是对某一具体的结构，其中包含了各种材料、各种尺寸形状和各种连结方式的零件，要准确计算其中应力波的传播过程则更为复杂。同时，目前炮弹的着速一般为几百米/秒甚至更大，以这样的速度侵彻靶体时，弹靶材料一般为弹塑性介质，要准确计算弹塑性应力波的传播是相当困难的，对具体结构进行计算则更为困难。　　因此，本文仅将具体结构简化成一定的模型进行近似研究，从纵波、横波常见应力波的最基本特性出发，讨论其在传播速度、应力波幅值方面的差异，采用ANSYS/LS-DYNA对弹体垂直侵彻钢靶板进行计算机仿真，从理论上分析应力波传播和弹体加速度的关系，这样得不到准确的结果，但可看出应力变化的规律，得出定性的结论，这对于正确理解侵彻应力波与介质及结构的作用很有帮助。 2 应力波传播速度　　在弹性变形阶段，固体中纵波速度、横波速度关系式见（1）、（2）式：（1）（2）　　式中c1，c2分别为纵波、横波波速，为密度，E为弹性模量，为泊松比。　　由上述二式可见，纵波波速和横波波速均由材料力学参数以及决定，而且其波速之比仅由决定，因此深度考察波速与的关系可以加深理解应力波知识。（3）　　可见，两种应力波波速有以下特点：纵波速度快于横波速度，随着值由0开始增大，纵波速度优势显著增加。值趋于零，意味着固体几乎完全刚性的，即固体接近于刚体，而值趋于0.5，由泊松比的定义可知，此时单向拉伸试验中纵向变形与横向变形比接近与0.5，这是固体变形角度的两个极限状态，其波速值很有意义。　　除应力波的传播速度之外，应力波幅值也是重要特征，足够大的应力波幅值才可能对结构物体造成影响。 3 数值模拟　　当弹体高速侵彻钢靶板、混凝土、岩石等硬目标时，弹体中存在两种应力波：弹性波和塑性波，其中塑性波的幅值高，但传播速度远比弹性波慢。另外由于应力波效应，弹体的变形主要是头部尖端的磨蚀，在进行过的数次弹体高速侵彻混凝土、钢板等硬目标加速度测试现场试验时，也观察到类似的现象。本文将创建弹体垂直侵彻靶板模型，分析应力波在介质中的传播特性。 3.1 基本假设　　计算模型的建立基于以下的假设: （1）弹丸和靶板为均匀连续介质,整个侵彻冲击过程为绝热过程,不计空气阻力,不考虑重力的作用；（2）不考虑靶板的侧边效应,忽略靶板的整体运动,弹丸和靶板的初始应力为零；（3）在侵彻过程中，弹横截面上的应力均匀分布，可用等效撞击力代替分布力；（4）将弹侵彻过程分析与应力波传播分析分开；（5）弹的塑性本构关系取线性关系。 3.2 数值仿真　　本文首先建立弹丸分别侵彻混凝土和钢靶板的数值模型。侵彻弹为一头部半球形的圆柱钢质弹丸，半径为1.3cm，长度为3.9cm。混凝土靶板的尺寸为100cm100cm20cm，金属钢靶板尺寸为100cm100cm0.8cm。弹丸以1000m/s的初速度垂直撞击靶板中心。由于结构形状、载荷具有对称条件，为节省计算时间，提高计算精度，建模均采用1/4模型。创建的侵彻模型分别如图1、2。图1 弹丸垂直侵彻混凝土模型图2 弹丸垂直侵彻钢靶板模型 4 计算结果与分析 4.1 应力波与靶体硬度的关系　　侵彻混凝土模型仿真结束时间为50us，侵彻钢板模型仿真结束时间为80us（结束时间的长短不影响对加速度曲线的分析），二次仿真均每1us输出一次计算结果文件。分别选取两个侵彻模型的球心为研究对象，则两球心的加速度曲线分别如图3 和4。图3 混凝土模型弹丸球心加速度曲线图4 钢板模型弹丸球心加速度曲线　　在弹体侵彻混凝土时产生的最大加速度峰值出现在3.0us时刻，大小为6.23万g；而在弹体冲击钢板时产生的最大加速度值更是到了18.41万g，峰值出现时刻在6.0us。比较两图可以发现，加速度的峰值是有应力波引起的，弹体侵彻钢板产生的应力波比侵彻混凝土靶板时产生的应力波大；在峰值过后弹体的冲击加速度值都大幅减小。　　通过对图3和图4加速度—时间曲线进行分析，可知应力波传播与靶体硬度有如下关系：加速度峰值是由于应力波突变产生的；靶体越硬（如混凝土、装甲钢板等），弹体中应力波突变越强，加速度峰值越大。 4.2 应力波与弹体着速的关系　　改变弹丸侵彻钢靶板模型的冲击初速度为800m/s，作球心的加速度历程曲线如图5。图5 800m/s初速侵彻钢板时球心加速度曲线　　弹丸以初速800m/s撞击钢板时产生的加速度峰值分别为4.56万g和-3.17万g，与图4初速为1000m/s时产生的18.41万g和-8.38万g相比都小的多，且整体加速度历程曲线也波动幅度较大。　　通过以上的分析，可知应力波传播受弹体初速的影响如下：着速越大，应力越大；初速越大，弹丸整体历程曲线受应力波的影响越小。 4.3 应力波与传感器安装位置的关系　　以弹丸初速为1000m/s垂直侵彻钢靶板模型为研究对象，分别提取弹丸顶点、球心、底端点，并作加速度历程曲线。顶点和底端点的加速度变化曲线分别如图6和图7。图6 弹丸顶点加速度历程曲线图7 弹丸底端点加速度历程曲线　　从提取弹体上位于前端（撞击端，加速度计安装位置）、中间、后端三个节点的加速度-时间曲线（图6、图4、图7）图中可以看出，撞体不同点的加速度-时间关系不同，由于应力波传播需要时间，所以靠近前端的加速度响应超前于另一端的点。应力波的波前是加速度的峰值之处，但波前过后峰值很快下降，所以峰值处的脉宽一般很窄，文献[7]的试验也证明了这一点。弹体前端的加速度幅值最大，但急剧降低，所以脉宽较窄。随着应力波传播，能量将耗散，应力梯度下降，加速度幅值就降低。弹体碰撞头的后部为空腔，刚度较碰撞头小了许多，它相当于一个高频滤波器，所以中间、后端两个节点的加速度幅值降低，脉宽变窄。后端的加速度幅值之所以比中间大，是因为应力波在自由端反射后速度加倍造成的。　　由上所述，可以发现高g传感器的安装位置与应力波传播的关系：弹体上不同点的加速度—时间关系不同，由于应力波传播需要时间，所以靠近加载端点的加速度响应（相对于力作用点）滞后于另一端的点；应力波的波前是加速度的峰值之处，但波前过后峰值很快下降，所以峰值处的脉宽一般很窄。对等直杆，某点最大加速度的峰值在应力波波前首次达到时。但对形状复杂的弹体，峰值可能在以后出现；由于弹体本身的惯性作用，靠近加载端点的加速度峰值比另一端的点的加速度峰值大，但对形状复杂的弹体，由于应力波的反射和透射，引起应力波的减小或增强，从而使这种现象不是很明显。 5 结论　　在高冲击条件下，由于应力波传播的影响，加速度实测信号只代表加速度计安装点的加速度值。进行加速度测试时，可根据不同的目的（如考虑引信的抗冲击能力等），把加速度计尽可能装在需要测试点的位置。对于控制装置来说，采取一系列的缓冲装置，隔离和反射峰值的瞬态冲击，延长动态载荷的加载的作用时间。　　实测加速度信号处理时，根据不同的测试目的进行滤波。如果为了得到作用在弹体头部的力，研究弹体作为刚体时的整体加速度，可用弹体的基频取为滤波截止频率。若考虑引信的抗冲击能力，只需要结合加速度计的频率和基座的刚度，把信号中的高频成分滤掉即可，不需要得到所谓的质心加速度。