3-1 高速撞击下含间隙结构的动态响应数值模拟

张青平 陈成军 陈 刚 李思忠

　　在试验的基础上，根据试验条件，对高速撞击下含间隙结构的动态响应进行了数值模拟。高速撞击试验以间隙结构为靶体，采用火炮驱动弹体撞击靶体，弹、靶形状以及靶体的固定支撑状态见图1。弹体为平头实心圆柱体，靶体由两部分组成，Ⅰ部分前端为带半球头的圆柱，

　　后段为圆柱壳；Ⅱ部分前端为圆柱，中段通过螺纹与Ⅰ部分连接，后端为法兰，整个靶体结构固定在靶座上。弹、靶材料均为LY12铝。用MSC/Dytran有限元程序，对弹体以939m/s的速度撞击L=40mm，间隙d =1.25mm的含间隙结构的整个过程进行了数值模拟，得到靶体的间隙闭合时间，即间隙前端界面质点到达后端界面位置的时间28.7m s，间隙闭合时间29.2m s，误差1.7%；含间隙结构撞击后变形如图2所示，结构Ⅰ部分的圆柱与圆柱壳的连接处出现鼓包，圆柱壳尾部出现墩粗现象，试验后的结构变形见图3，圆柱与圆柱壳连接处的定位孔由圆形变为椭圆形，此处直径由原始尺寸f 40mm增加为f 41.1mm，圆柱壳尾部也出现局部墩粗，最大直径为f 40.8mm；还模拟出了弹、靶撞击的整个过程（见图4），与试验中高速摄影拍摄的弹、靶碰撞过程（见图5）也基本一致。

　　从数值模拟结果可以看出，弹、靶相撞后，弹、靶碰撞处的大变形区域不断扩大，作用区内的高幅值应力区从靶体结构头部朝着尾部方向移动，应力波的传播途径有两条，一是沿靶外壳向后传播，在端部反射；二是经靶体结构间隙处，在间隙闭合以后，应力波经内弹体向后传播，间隙使结构的受力过程和应力分布发生很大的变化。数值模拟与试验结果表明，采用Johnson-Cook模型描述材料的动态屈服行为，多项式状态方程描述材料性能，等效塑性应变作为材料的破坏判别准则，对高速碰撞下含间隙结构的动态响应进行数值模拟能达到较好的模拟效果，计算结果与试验结果比较吻合。