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立方体破片对铝合金板冲击的数值仿真

WANGXuan;LUMingjian;DENGYunfei

【摘要】为研究不同强度铝合金板受立方体破片冲击的损伤特性及失效机理,利用

有限元软件ABAQUS/Explicit建立了立方体破片以不同着靶姿态冲击不同强度铝

合金靶板的模型,分析了破片着靶姿态、靶板强度对靶体防护性能、失效模式和能

量吸收的影响规律及机理.研究结果表明:立方体破片点接触着靶冲击时弹道极限速

度高于面接触着靶冲击时弹道极限速度;弹道极限速度并不是随着靶板强度的增大

而单调增大,而是呈现先增大后减小的趋势,即存在一个最佳强度使得靶板的抗冲击

性能最优;靶板强度和破片着靶姿态对靶体失效模式、能量吸收情况均存在显著影

响,但各因素影响程度与机理存在差异.

【期刊名称】《中国机械工程》

【年(卷),期】2018(029)023

【总页数】8页(P2887-2894)

【关键词】立方体破片;铝合金板;弹道极限速度;能量吸收

【作者】WANGXuan;LUMingjian;DENGYunfei

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】O385

0引言

铝合金具有重量轻、比强度高、加工性好、耐腐蚀性强等优点，在航空、航天、汽

车和高速列车等工程领域应用广泛。在航空领域，铝合金仍是飞机机体结构的主要

轻型结构用材，它对外来物冲击的防护性能及损伤容限直接影响到飞机的飞行安全。

MANES等[1]对6061-T6铝合金圆管受直径7.62mm的卵形头弹冲击进行了实

验与仿真研究，发现冲击速度与倾角对圆管的破坏模式存在显著影响。胡静等[2]

利用有限元软件ABAQUS建立仿真模型，开展了38CrSi钢弹体撞击2A12-T4铝

合金板的数值模拟研究，揭示了弹体撞击角度对弹道姿态及靶体失效特性的影响规

律及机理，研究结果表明：弹体的弹道极限速度随其撞击角度的增大呈现先减小后

增大的趋势。郝鹏等[3]进行了2A12-T4铝合金薄板抗卵形头弹冲击的实验与数值

仿真研究，结果表明，靶板分层及板间间隙会对其抗冲击性能和破坏模式产生影响。

贾宝惠等[4]通过数值模拟研究了2A12-T4铝合金板受特定异形弹撞击的抗侵彻性

能及失效模式，仿真结果表明，弹体弹道极限速度和靶体失效模式均受弹体外形的

影响。蓝肖颖等[5]通过试验、数值模拟与理论分析相结合的方法对不同厚度的

2A12-T4铝合金板受圆柱形钨破片撞击的跳飞临界角进行了研究，结果表明，随

着破片冲击速度减小或靶板厚度增大，破片的跳飞临界角均会增大。张伟等[6]通

过实验研究了7A04-T6铝合金板受平头弹和卵形头弹冲击的损伤形式和防护性能，

研究结果表明该铝合金板抗卵形头弹冲击的性能优于抗平头弹的冲击性能，并且靶

板的损伤模式受弹头形状的影响。从上文的介绍可以看出，国内外针对铝合金结构

的弹道行为已经做了一些研究，但关于破片着靶姿态、靶板强度等因素对其弹道防

护性能影响的研究还鲜见报道，所以对其进行抗冲击性能与失效模式研究是很有必

要的。

本文以6061-T6、2A12-T4、7A04-T6铝合金板为研究对象，利用

ABAQUS/Explicit有限元软件，建立了立方体破片以不同着靶姿态冲击三种强度

铝合金靶板的模型。根据数值仿真计算结果，对比分析了弹体着靶姿态、靶板强度

等因素对铝合金板防护性能及冲击损伤特性的影响规律及机理。

1有限元模型

1.1材料参数及本构关系

本文破片材料为经热处理的38CrSi合金钢，靶板材料分别为6061-T6、2A12-T4、

7A04-T6铝合金，材料强度分别为270MPa、400MPa、602.5MPa。硬

38CrSi钢的本构关系通过双线性硬化模型进行描述[7]，并忽略温升和应变率的影

响，表达式为

(1)

式中，E为弹性模量；Et为切线模量；σ0为屈服强度；ε0为初始屈曲时的应变。

硬38CrSi钢的性能参数和文献[7]中保持一致，如表1所示。表1中，υ为泊松比，

ρ为材料密度。

表1硬38CrSi钢材料参数[7]Tab.1Materialconstantsofhard38CrSi

steel[7]E(GPa)υρ(kg/m3)σ0(MPa)Et(MPa)2040.337850190015000

6061-T6铝合金采用J-C本构模型和断裂准则[8-10]，如下式所示