弹体侵彻混凝土靶三维细观数值模拟.pdf

2 0 1 4 年 第 6 期 (总 第 2 9 6 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No ． 2 9 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 5 弹体侵彻混凝土靶三维细观数值模拟 梁斌 。王琪华 。卢永刚 ( 中国工程物理研究院 总体工程研究所 ，四川 绵阳 6 2 1 9 0 0 ) 摘要 ： 分析模拟混凝土细观结构对侵彻破坏影响， 采用随机骨料模型， 在前人研究的基础上 ， 提出了一种新的混凝土三维凸 型骨料的投放与生成方法一分区投放与射线延拓法 ， 减小了骨料投放与生成所需的判别区域 ， 改善了骨料随机投放过程中的效 率问题。 采用背景网格划分法 ， 使得三维数值建模与计算效率更高。 在此基础上采用动力有限元程序开展了弹体侵彻混凝土细观 数值模拟， 相对于均质材料 ， 由于骨料的存在引起的混凝土材料性能的不均匀性， 从而对弹体侵彻性能影响的初步认识 ， 研究结 果为混凝土细观数值建模与弹体设计评估提供参考。 关键词 ： 混凝土 ；随机骨料；数值模拟 ；侵彻 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 叭 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 — 0 0 1 6 — 0 4 N u me r i c a l s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e 3 D me s o — me c h a n i c a l mo d e S U b j e c t e d t o p r o j e c t i l e p e n e t r a t i o n L I AN GB i n ， WA NGQ i h u a ， L UY o n g g a n g ( I n s t i t u t e o f S y s t e m s o f E n g i n e e r i n g ， C h i n a A c a d e my o f E n g i n e e r i n gP h y s i c s ， Mi a n y a n g6 2 1 9 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a l g o r i t h m o f t h r e e — d i me n s i o n a l n u me ri c a l mo d e l f o r mi c r o — S C a l e c o n c r e t e wa s s tud i e d ． A t h r e e — d i me n s i o n a l r a n d o m a g — g r e g a t e g e n e r a t e d an d t h r o we r p r o g r a m i s c o mp i l e d b y a n e w k i n d o f a l g o ri t h m a c c o r d i n g t o an a l y s i s o f r e l a t e d a l g o rit h ms b a s e d o n t h e f o r _ mc r i n v e s t i g a t i o n．W h i c h c a n r e d uc e a vo i d t he c o n fin e i n c a l c ul a t i o n． Th e e ffi c i e n t o f t h e a l g o r i t hm i s i mp r o v e d b y us i n g t he s ub a r e a f i l l m e th o d ． T h e e ffic i e n t o f d g e n e r a t e w a s i mp r o v e d b y u s i n g the b a c k g r o u n d d p r o j e c t i o n me t h o d ．T h e c o n c r e t e 3 - D m e s o n u me r i c a l m o d e o f p r o j e c t i l e p e n e t r a t i o n wa s e s t a b l i s h e d b y n o n l i n e a r d y n a mi c a l a n a l y s e s s o f t w a r e ． T h e r e s u l t s o f n u me ri c ~s i mu l a t i o n f o r p e n e ~ a - t i on c o n c r e t e i nd i c a t e d t ha t ma t e r i a l h e t e r o g e ne o us Wa S ma i n r e a s o n for i nfl ue nc e p e n e t r a t i o n p e r f o r manc e d i ffe r e n t f r o m i s ot r o p y ma t e ria 1 ． Ke y w o r d s ： c o n c r e t e ； r a n d o m a g g r e g a t e ； n u me ri c a l s i mu l ati o n ； p e n e t r a t i o n 0 引言 混凝土由于良好的物理力学性能以及原材料广泛， 是 民用和防护工程 中运用最多 的工程材料 ， 也是武器研发中 涉及较多的靶标 ， 与之相关 的侵彻破坏分析成为近期材料 和武器研制人员研究的热点也是难点 之一 。 在现有 的混凝 土侵彻破坏分析 中， 一般假设混凝土为各 向同性的均匀性 材料 ， 但混凝土实际上是 由骨料 、 砂浆和二者间的黏结带 组成的三相复合材 料【 ” ， 各组成相 的力学性能存在一定 的 差异 ， 具有明显的非均匀性和各向异性[ 2 ] 。 其非均匀性 和各 向异性将影响动能弹的侵彻弹道 。 随着大容量高速计算机的出现， 基于细观层次上的数 值模拟已成为可能 ， 研究者在该领域开展了卓有成效的工 作 。 数值试验 由二维发展 到三维 ， 骨料形状 的模拟 由圆形 到椭圆进而发展到任意多变形。 骨料的网格剖分有映射 网 格方法翻 和 自由网格剖分 ， 但剖分规模大难 以用于三维情 形 。 目前对于二维数值混凝土研究相对较多 ， 也较成熟 。 其 中高正 国嘲 、 C h e n g — B i n D u 同 等给出了二维混凝土任意形状 收稿 日期 ：2 0 1 3 — 1 2 - 2 9 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 1 1 0 0 2 1 3 4 ) l 6 骨料随机投放算法。 马怀发 、 Wa n g Z M闻 、 刘光廷 、 程伟 峰[ 1 州 等进行 了三维凸型混凝土骨料随机投放算法的研究 ， 取得了大量的研究成果 。 国内在 弹体侵彻混凝土靶细观数 值建模和分析方面报道较少。 本研究从混凝土细观数值建 模 出发 ， 初步分析混凝土的非均匀性对动能弹侵彻性能以 及靶体破坏特性 的影响。 1 混凝土细观数值建模 分析模型 中假设混凝土为三级级配 ， 即假设混凝土 中 含三种直径( 3 0、 1 5 、 8 m ／ n ) 的多边形骨料 。 混凝 土靶的整 体尺寸为( 5 0 0 mmx 2 5 0 m mx 2 5 0 0 m m) ， 骨料随机分布在 其空间范 围内， 在骨料 外表面附着 1 m l n厚 的黏结 区域 ， 空间的其余位置为砂浆。 采用富勒( F u l 1 e r ) 三维骨料级配曲线转化到二维骨料 级配曲线的瓦拉文( Wa l a r a v e n ) 公式确定骨料颗粒数 ， 按照 蒙特卡罗方法在试件 内随机生成骨料分布模 型。 用 v c + +编写的骨料随机生成程序， 其算法框图如图 1 所示 。 用此方法生成 的二维和三维骨料模型如 图 2 所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从 图 6 可 以看 出， 弹体以不同速度正侵彻细观靶体 ， 随着侵彻速度增加弹体轴向加速度逐渐增大 ， 与侵彻均匀 混凝土靶体响应规律相似 。 结合图 5 可 以看 出， 在轴 向加 速度曲线 中出现多个峰值 ， 其峰值分别是在侵彻成坑以及 弹体头部冲击骨料的时刻 出现 ， 此时弹体 出现径 向偏转 ， 径向偏转加速度和位移随侵彻速度增加而增大。 由于混凝土组成的砂浆与骨料之间密度 、 强度 、 模量 等物理力学性能存在较大的差异 ， 砂浆强度 、 模量等力学 性能较骨料低得多 ， 因此在弹体侵彻砂浆过程受到的作用 力较侵彻骨小得多 ， 在弹体侵彻 过程 中遇到骨料 时 ， 弹体 头部将 向阻力小的一侧偏 转 ， 即偏向砂 浆一侧 。 由于骨料 分布的随机性 ， 弹体偏转方 向也具有一定 的随机性 。 4结语 进行了三维细观数值建模方法研究 ， 并进行 了三维细 观侵彻数值模拟 ， 获得 了以下初步结果 ： ( 1 ) 采用分区投放与射线延 拓法 ， 提高 了骨料 随机投 放过程 中的效率问题。 采用背景网格划 分法 ， 建 立了三维 高效侵彻数值模型 ； ( 2 ) 由于骨料与砂浆 之间力 学性能相差较大 ， 弹体侵 彻过程 中受到载荷不均匀 ， 侵彻过程中侵彻弹道 、 弹体轴 向和过载 、 速度及位移与均质靶之 间存在一定的差异 ； ( 3 ) 由于骨料 分布具有一定 的随机 性 ， 弹体侵彻细观 靶体径 向过载和径 向偏转位移与骨料分布相适应 ， 也具有 一 定 的随机性 。 由于影响弹体侵彻 响应的因素较多而且非常复杂 ， 本 研究仅开展一种小尺寸弹丸侵彻数值模拟 ， 其弹体偏转规 律还需开展进一步的研究。 参考文献： 【 1 】T E YME N A， K AR AHAN O． T h e i n fl u e n c e o f a g g r e g a t e t y p e o n t h e s t r e n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e 阴．C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 8 ( 3 0 ) ： 2 9 0 — 2 9 6 ． [ 2 】M a r i a L 6 p e z d e M u r p h y ． C h a r a c t e r i z a t i o n ， m o d e l i n g a n d s i z e e f f e c t 上接第 1 5页 ( 2 ) 电化学除氯后 ， 混凝土试件 中氯 、 钠 、 钾离子含 量 及分布具有一定 的规律性 ： 氯离子含量 由靠近钢筋层混凝 土 自内由向外呈放射状递增趋势 ； 钾钠离子含量则 自内向 外呈梯度递减， 且内外含量相关悬殊 。 ( 3 ) 除氯后靠近钢筋 的混凝 土中部分 c — s — H凝胶被分 解成 C a ( O H) 晶体 。 分解后的[ S i O 4 ] 在外电场的作用下向 外部迁移 ， 造成 内层混凝土 C a ／ S i 比明显大于外层 。 参考文献： 【 1 】 孙文博． 电化学除氯对混凝土性能影响规律的研究[ D 】 ． 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学论文， 2 0 0 9 ． 【 2 】 郑秀梅 ， 李厂军 ， 支秀兰． 电化学除盐对钢筋与混凝土间黏结力 的影响『 J 1 ． 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 4 6 — 4 8 ， 5 1 ． 『 3 13郑秀梅， 高小建， 巴恒静． 电解质溶液对电化学除盐效果的影响叨． 混凝土， 2 0 1 0 ， 2 4 8 ( 6 ) ： 5 3 — 5 7 ． o f c o n c r e t e — e p o x y i n t e r f a c e s [ D ] ． T h e P e n n s y l v a n i a S t a t e Un i v e r s i t y ． 3 0 0 No r t h Z e e b Ro a d， 2 0 06 ． 【 3 】秦川， 郭长青， 张楚汉． 基于背景网格的混凝土细观力学预处理 方法I J 1． 水利学报 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 8 ) ： 9 4 1 — 9 4 8 ． 『 4 ]HAU - KI T Ma n ， I AN J M， v a n Mi e r ．S i z e e f f e c t o n s t r e n g t h a n d f r a c — t u r e e n e r g y f o r n u me ri c a l c o n c r e t e wi t h r e a l i s t i c a g g r e g a t e s h a p e s 【J J． I n t J F r a c t ， 2 0 0 8 ( 1 5 4 ) ： 6 1 — 7 2 ． [ 5 ]5 高政 国， 刘光廷． 二维混凝土随机骨料模型研究【 J J _ 清华大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 5 ) ： 7 1 0 — 7 1 4 ． [ 6 】D U C h e n g — b i n ， S U N L i — g u o ， N u m e r i c al S i m u l a t i o n o f A g g r e g a t e S h a p e s o f T w o — D i me n s i o n al C o n c r e t e a n d I t s Ap p l i c a t i o n [ J ] J o r u n a l o f Ae r o s p a c e En g i n e e r i n g， 2 0 0 7： 1 71 —1 7 7 ． [ 7 ]马怀发 ， 毕书贞 ， 陈厚群． 一种混凝土随机凸多边形骨料模型生 成方法[ J ] ． 中国水利水电科学研究院学报 ， 2 0 0 6 ， 3 ( 4 ) ： 1 9 6 — 2 0 2 ． [ 8 ]WANG Z M， K WAN A K H_ Ma c r o s c o p i c s t u d y o f c o n c r e t e I ： g e n - e r a t i o n o f r a n d o m a g g r e g a t e s t r u c t u r e s a n d f i n i t e e l e me n t me s h[J ] ． C o m p u t e r s a n d s t r u c t u r e ， 2 0 0 9 ( 7 0 ) ： 5 3 3 — 5 4 4 ． 【 9 ]刘光廷 ， 高政国． 三维凸型混凝土骨料 随机投放算法l J 1 ．清华大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 8 ) ： 1 1 2 0 — 1 1 2 3 ． 【 1 0 】 程伟峰_ ： 昆 凝土三维随机凸型骨料模型生成方法研究[ j J _ 水利学 报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 5 ) ： 6 0 9 — 6 1 5 ． 『 1 l l WARR E N T L ， F O S S U M AF ， F RE W D J ． P e n e t r a t i o n i n t o l o w— s t r — e n g t h ( 2 3 M P a )c o n c r e t e ： t a r g e t c h a r a c t e r i z a t i o n a n d s i m u l a t i o n s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 5 ) ： 4 7 7 — 5 0 3 ． [ 1 2 ] HO L MQUI S T T J ， J OHNS ON G R， C O OK W H．A c o mp u t a t i o n a l c o n s t i t u t i v e mo d e l f o r c o n c r e t e s u b j e c t e d t o l a r g e s t r a i n s ， h i g h s t r a i n r a t e s ， a n d h i g h p r e s s u r e s [ C ] ／／ J AC K S ON N， DI C K E RT S ．T h e 1 4 t h I n - t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o n Ba l l i s t i c s ．US A： Ame r i c a n De f e ns e P r e — p a r e d ne s s As s o c i a t i o n， 1 9 9 3： 591 - 60 0 ． [ 1 3 ] A UT O DY N U s e r s Ma n u al[ Z ] ．C a l i f o r n i a ： C e n t u r y D y n a mi c s C o r p o - r a t i o n， 2 0 05 ． 作者简介 ： 联 系地址 联 系 电话 梁斌 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博士 ， 高工 ， 主要从事常规战斗部 研 制。 四J _ I 绵阳市 9 1 9信箱 4 1 4分箱( 6 2 1 9 0 0 ) 1 3 7 7 81 2 06 6 4 【 4 ]高小建 ， 郑秀梅 ， 杨英姿． 电 沈阳工业大学学报， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 5 7 9 — 5 8 4 ． [ 5 ]ME HT A P K， BU RRO WS R W．B u i l d i n g d u r a b l e s t ruc t u r e s i n t h e 2 1 s t c e n t u ry[ J ] ． C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 3 )： 5 7 — 6 3 ． 【 6 】外电场作用下混凝土中离子的迁移与分布规律研究 混凝土 与水泥制品 ， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 9 - 1 4 ． 【 7 】S I EG WA RT M，Ch a n g e o f p o r e s i z e i n c o n c r e t e d u e t o e l e c t r o — c h e mi c a l e x t r a c t i o n a n d p o s s i bl e i mp l i c a t i o n s f o r t h e mi gra t i o n o f i o n s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h ， 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 1 2 1 1 —1 2 2 1 ． [ 8 】 王文仲 ， 郑秀梅 ， 刘晓丹． 电化学除盐对混凝土微观结构的影响l J 】． 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 8 — 3 0 ， 7 1 ． 作者简介 联系地址： 联系电话： 郑秀梅( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 副教授， 硕士。 主要从事高性能与 智能混凝土研究。 黑龙江／省1圭木斯大学三区 A院建筑工程学院( 1 5 4 0 0 2 ) 1 8 2 4 54 7 8 6 9 6 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m