陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

仲强 侯海量 朱锡 李典

仲强, 侯海量, 朱锡, 李典. 陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(3): 510-519. doi: 10.11883/1001-1455(2017)03-0510-10
引用本文: 仲强, 侯海量, 朱锡, 李典. 陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(3): 510-519. doi: 10.11883/1001-1455(2017)03-0510-10
Zhong Qiang, Hou Hailiang, Zhu Xi, Li Dian. Numerical analysis of penetration resistance of ceramic/fluid cabin composite structure[J]. Explosion And Shock Waves, 2017, 37(3): 510-519. doi: 10.11883/1001-1455(2017)03-0510-10
Citation: Zhong Qiang, Hou Hailiang, Zhu Xi, Li Dian. Numerical analysis of penetration resistance of ceramic/fluid cabin composite structure[J]. Explosion And Shock Waves, 2017, 37(3): 510-519. doi: 10.11883/1001-1455(2017)03-0510-10

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

doi: 10.11883/1001-1455(2017)03-0510-10
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51209211

详细信息
    作者简介:

    仲强 (1990-),男,硕士研究生

    通讯作者:

    侯海量,hou9611104@163.com

  • 中图分类号: O381

Numerical analysis of penetration resistance of ceramic/fluid cabin composite structure

  • 摘要: 为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。
  • 图  1  复合结构模型设计

    Figure  1.  Design of composite structure model

    图  2  实验装置示意图

    Figure  2.  Experimental set

    图  3  两种结构的1/2计算模型示意图

    Figure  3.  1/2 calculated models of 2 kinds of structures

    图  4  水域和空气域网格

    Figure  4.  Mesh of the water and air

    图  5  1/2弹体网格示意图

    Figure  5.  Mesh of 1/2 projectile

    图  6  1/2钢面板网格示意图

    Figure  6.  Mesh of 1/2 steel plate

    图  7  实验9的破坏过程图

    Figure  7.  Failure process of No.9 experiment

    图  8  数值计算后的弹体变形破坏

    Figure  8.  Deformation failure of projectiles after numerical calculation

    图  9  弹体侵彻3c2s-4s结构过程中剩余长度lr和动能Ek曲线

    Figure  9.  Curves of remaining length lr and kinetic energy Ek of projectile in the process of penetrating 3c2s-4s fluid cabin structure

    图  10  773.6m/s(2s-4s)前、后面板破坏变形

    Figure  10.  Deformation of front and back plates at 773.6m/s(2s-4s)

    图  11  990m/s (3c2s-4s)前后前、后面板破坏变形

    Figure  11.  Deformation of front and back plates under at 990m/s (3c2s-4s)

    图  12  1200m/s (3c2s-4s)前、后面板破坏变形

    Figure  12.  Deformation of front and back plates at 1200m/s (3c2s-4s)

    图  13  1800m/s (3c2s-4s)前、后面板破坏变形

    Figure  13.  Deformation of front and back plates at 1800m/s (3c2s-4s)

    图  14  前、后面板位移分布

    Figure  14.  Distribution of displacement of front and back panels

    图  15  前后面板变形能变化曲线

    Figure  15.  Deformation energy curves of front and back plates

    表  1  实验类型以及组合形式和相关参数

    Table  1.   Experiment types, combining forms and related parameters

    实验编号 类型 组合形式 约束覆板厚度/mm 陶瓷厚度/mm 前面板厚度/mm 后面板厚度/mm
    1~3 1s-5s - - 1 5
    4~6 2s-4s - - 2 4
    7~8 4s-2s - - 4 2
    9~13 3c2s-4s - 3 2 4
    14 5c2s-4s - 5 2 4
    15~16 1s3c1s-4s 1 3 1 4
    17 1s3c1s-4s 1 5 1 4
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    表  2  弹体的材料参数

    Table  2.   Material parameters of projectile

    G/GPa A1/MPa B1/MPa n C1 m D1 CV/(J·kg·K-1) Tm/K T0/K
    80.8 335 350 0.782 0.0483 0.804 0.8 477 1793 300
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    表  3  液舱结构的材料参数

    Table  3.   Material parameters of water-filled structure

    σ0/MPa Eh/MPa n D/s-1 εf
    235 250 5 40.4 0.28
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    表  4  水和空气的材料参数

    Table  4.   Material parameters of water and air

    材料 ρ0/(kg·m-3) c/(m·s-1) S1 S2 S3 γ0 a C4 C5 E0/(kJ·m-3)
    1000 1448 1.979 0 0 0.11 3 - - 0
    空气 1.22 - - - - - - 0.4 0.4 253
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    表  5  陶瓷的材料参数

    Table  5.   Material parameters of ceramic

    ρ0/(g·cm-3) A2/GPa B2/GPa C2/GPa M N T/GPa σH/GPa
    3.89 0.88 0.50 0 0.6 0.64 0.35 6.5
    pH/GPa ${{\dot \varepsilon }_0}$/s-1 β D1 D2 K1/GPa K2/GPa K3/GPa Fs
    3.48 1.0 1.0 0.13 1 230.1 -160 2373 1.0
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    表  6  计算值与实验值的比较

    Table  6.   Comparison of calculating values and experimental values

    实验编号 组合形式 初始速度/(m·s-1) 实验剩余速度/(m·s-1) 计算剩余速度/(m·s-1) 剩余速度偏差率/% 实验剩余长度/mm 计算剩余长度/mm 剩余长度偏差率/%
    1 1s-5s 792.4 300.6 300 -0.2 17.8 17.5 -1.7
    2 1s-5s 958.2 390.6 379 -3.0 - 16.4 -
    3 1s-5s 1068.0 440.9 408 -7.5 - 15.8 -
    4 2s-4s 966.8 425.0 348 -18.1 - 16.4 -
    5 2s-4s 773.6 294.3 294 -0.1 17.4 17.1 -1.7
    6 2s-4s 954.0 332.2 345 3.9 - 16.5 -
    7 4s-2s 792.6 321.7 348 8.4 18.5 17.3 -6.4
    8 4s-2s 996.2 490.1 447 -8.8 - 16.3 -
    9 3c2s-4s 862.9 257.6 248 -3.7 16.6 15.4 -7.2
    10 3c2s-4s 953.7 344.9 336 -2.6 16.5 16.0 -3.0
    11 3c2s-4s 990.0 330.0 359 8.8 - 16.2 -
    12 3c2s-4s - - - - - - -
    13 3c2s-4s 1014.0 360.7 395 9.5 15.0 15.9 0.6
    14 5c2s-4s 1030.9 304.4 326 7.2 14.5 15.7 8.3
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  • [1] 朱锡, 张振华, 刘润泉, 等.水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究[J].爆炸与冲击, 2004, 24(2):133-139. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2004.02.006

    Zhu Xi, Zhang Zhenhua, Liu Runquan, et al.Experimental study on the explosion resistance of cabin near shipboard of surface warship subjected to underwater contact explosion[J].Explosion and Shock Waves, 2004, 24(2):133-139. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2004.02.006
    [2] 徐定海, 盖京波, 王善, 等.防护模型在接触爆炸作用下的破坏[J].爆炸与冲击, 2008, 28(5):476-480. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.05.016

    Xu Dinghai, Gai Jingbo, Wang Shan, et al.Deformation and failure of layered defense models subjected to contact explosive load[J].Explosion and Shock Waves, 2008, 28(5):476-480. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.05.016
    [3] 卢芳云, 李翔宇, 林玉亮.战斗部结构与原理[M].北京:科学出版社, 2009.
    [4] 沈哲, 肖素娟, 南长江等.鱼雷战斗部与引信技术[M].北京:国防工业出版社, 2009.
    [5] 段卓平, 朱艳丽, 张连生.爆炸成型弹丸对Al2O3装甲陶瓷材料的侵彻实验研究[J].爆炸与冲击, 2006, 26(6):505-509. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2006.06.005

    Duan Zhuoping, Zhu Yanli, Zhang Liansheng.DOP experimental study on EFP penetrating Al2O3 armor ceramic[J].Explosion and Shock Waves, 2006, 26(6):505-509. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2006.06.005
    [6] 李金柱, 张连生, 黄风雷.EFP侵彻陶瓷/金属复合靶实验运动网格法模拟[J].北京理工大学学报, 2012, 32(10):1004-1008. doi: 10.3969/j.issn.1001-0645.2012.10.002

    Li Jinzhu, Zhang Liansheng, Huang Fenglei.Simulation of EFP penetrating into ceramic/steel composite target using moving mesh/method[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(10):1004-1008. doi: 10.3969/j.issn.1001-0645.2012.10.002
    [7] Fellows N A, Barton P C.Development of impact model for ceramic-faced semi-infinite armour[J].International Journal of Impact Engineering, 1999, 22(8):793-881. doi: 10.1016/S0734-743X(99)00017-2
    [8] 侯海量, 朱锡, 李伟.轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究[J].兵工学报, 2013, 34(1):106-114. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=bgxb201301019

    Hou Hailiang, Zhu Xi, Li Wei.Investigation on bullet proof mechanism of light ceramic/steel composite armor[J].Journal of China Ordnance, 2013, 34(1):106-114. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=bgxb201301019
    [9] Lecysyn N, Bony-Dandrieux A, Aprin L, et al.Experimental study of hydraulic ram effects on a liquid storage tank:Analysis of overpressure and cavitation induced by a high-speed projectile[J].Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1/2/3):635-643. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389410001688
    [10] Disimile P J, Toy N, Swanson LA.A large-scale shadowgraph technique applied to hydrodynamic ram[J].Journal of Flow Visualization and Image Processing, 2009, 16(4):1-30. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=e4c766726c6f5629d9732baabe2cf211
    [11] 徐双喜.大型水面舰船舷侧复合多层防护结构研究[D].武汉: 武汉理工大学, 2010. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1750730
    [12] 李典, 朱锡, 侯海量.高速杆式弹侵彻下蓄水结构防护效能数值分析[J].海军工程大学学报, 2015, 4(21):21-25. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hjgcdxxb201504005

    Li Dian, Zhu Xi, Hou Hailiang.Numerical analysis of protective efficacy of water-filled structure subjected to high velocity long-rod projectile penetration[J].Journal of Naval University of Engineering, 2015, 4(21):21-25. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hjgcdxxb201504005
    [13] 尹建平.多爆炸成型弹丸战斗部技术[M].北京:国防工业出版社, 2012.
    [14] Mcintosh G.The Johnson-Holmquist model as used in LS-DYNA 2D[R].America: Defense Technical Information Center, 1998.
    [15] 沈晓乐, 朱锡, 侯海量, 等.高速破片入水镦粗变形及侵彻特性有限元分析[J].舰船科学技术, 2012, 34(7):25-29. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2012.07.005

    Shen Xiaole, Zhu Xi, Hou Hailiang, et al.Finite element analysis of underwater high velocity fragment mushrooming and penetration properties[J].Ship Science and Technology, 2012, 34(7):25-29. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2012.07.005
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-08-14
  • 修回日期:  2015-11-18
  • 刊出日期:  2017-05-25

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