摘 要: 为研究新型钢丝网活性粉末混凝土RPC ( react ive pow der concrete) 避弹层的抗侵彻性能, 进行了抗侵彻试验和数值计算分析。制作了钢丝网RPC、钢纤维RPC 试验靶体。分别采用步枪子弹和57mm 半穿甲弹进行了冲击试验, 冲击试验的弹体速度分别为710、340m /s , 主要比较靶体的破坏形态和弹体对靶体的侵彻深度。为利用AN SYS/L S-DYNA 动力有限元分析软件对上述靶体的抗侵彻性能进行数值计算分析, 创建了新型钢丝网RPC 的计算模型。计算结果与试验结果基本吻合, 证明了计算模型的合理性。试验和计算结果均表明: 钢丝网RPC 具有较好的抗局部破坏和抗裂的性能, 且具有较高的效费比。
关键词: 活性粉末混凝土; 抗侵彻; 数值模拟
中图分类号: TU 528 文献标识码: A
钻地武器的发展, 使得防护工程对抗侵彻的要求越来越高[ 1～ 4 ]。其中, 复合材料的抗侵彻性能研究成为抗深侵彻材料研究的重要方面[ 5 ]。RPC 材料作为一种超高强、高韧性、高耐久、体积稳定性良好的新型水泥基复合材料[ 6～ 9 ] , 在军事工程中将具有广泛的应用前景。分析表明, 将多层钢丝网密排平铺于RPC 中制成复合材料, 其纤维间距小, 具有阻裂作用, 能迅速传递应力应变, 且效费比高[ 10～ 16 ]。
本文对钢丝网活性粉末混凝土的抗侵彻性能进行了试验研究, 为将钢丝网RPC 同钢纤维RPC 在弹体作用下的抗侵彻性能进行对比分析, 引用了文献[10, 12 ]的部分试验结果, 并对侵彻过程进行了数值模拟。
1 子弹与半穿甲弹冲击试验
1.1 靶 体
靶体分为两类, 一类是子弹射击试验靶体, 另一类是半穿甲弹冲击试验靶体。以下为2 类靶体的制作方案。
(1) 子弹射击试验的靶体以C100 配制基体材料RPC, 其代号为B1。基材配料及配比[ 13 ]的具体参数:水灰比为0.4; 减水剂掺量为4%; 粉煤灰为10%; 硅粉为30%; 水泥和砂子的质量比为1∶1.2。研制钢丝网RPC 靶体B2, 其中, 钢丝网层间距为10 mm , 共铺设15 层, 靶体体积含钢量为1.02%; 另制作2 种体积含钢量为3%、6% 的钢纤维RPC 靶体N 3 和N 6。靶体尺寸为450 mm ×320 mm ×120 mm , 共12 个靶体。
(2) 57mm 半穿甲弹侵彻试验的靶体以C100 为基体材料配制RPC, 基材配料及配比同上。分别采用钢丝网和钢纤维增强。钢丝网RPC 中, 钢丝网体积含量为2.15%。钢纤维RPC 中钢纤维的体积含量分别为2.15%、6%。上述试件的代号依次为T2、C2 和C6。共制作靶体9 个, 靶体尺寸为直径3 m , 高1 m的圆柱体。
钢丝网密度为7.8×103 kg/m 3, 拉伸强度均为1 150M Pa。钢纤维为剪切型, 密度为7.8×103 kg/m 3, 抗拉强度≥600～ 800M Pa。靶体中, 钢丝网以均匀的层间距平铺, 网平面垂直于载荷方向。钢丝直径为1 mm , 钢丝网孔径为6 mm , 钢丝网层间距为10mm。钢纤维为均匀分散。
1.2 弹体及试验方法
56 式步枪子弹试验, 弹重7.69 g。子弹出口速度710 m / s。将步枪固定, 使用牵引绳扣动扳机, 枪口垂直于靶体表面, 距离为550mm。由于枪口与靶体的距离较近, 可认为子弹垂直射向靶体, 且弹着点速度近似于子弹出口速度。测量子弹对靶体的侵彻深度。
57 mm 口径的半穿甲弹试验, 弹长456.4 mm ,长径比8.0, 弹重4.43 kg, 弹尾采用张开式尾翼, 材料30CrM nSi。发射装置采用57mm 的滑膛炮。图1为57 mm 弹侵彻试验示意图。弹速控制在340 m /s
左右。试验中, 采用测试仪测量弹速, 采用高速摄影技术对弹丸撞击到靶上并挤入靶但未完全埋入靶的动态过程进行了录像。在靶体侧面设置高速摄影区域, 利用高速摄影仪(型号为FA STCAM u lt im a 40k, 分辩率256×256, 拍摄速度为4 500～ 40 000 幅/s) 进行摄影。图2 为高速摄影拍摄的弹体着靶姿态。试验中测量的参数为弹体着靶速度, 弹体着靶姿态,弹体最大侵彻深度, 成坑口径, 剥落直径等。
1.3 试验结果及分析
7.62 mm 子弹射击试验中, 基材靶体B1 被击碎, 复合材料靶体B2、N 3 和N 6 未被击碎。B2 的侵彻深度较N 3、N 6 都小, 说明钢丝网和钢纤维均能有效提高基体材料的抗步枪子弹侵彻性能。表1 为试验数据。其中,m 为弹重, v 为弹速。
57 mm 弹侵彻试验中, 与T2 含钢量相同的C2靶体破碎。含钢量6% 的钢纤维增强靶体C6 的侵彻深度略小于T 2, 如图3 所示。但C6 靶体表面有较深较明显的裂纹, T 2 靶体的完整性明显好于C6 靶体,说明钢丝网对基材抗裂性能的改善也大大优于钢纤维。即两者呈现了不同的破坏形态。
2 数值模拟
2.1 几何模型
钢筋混凝土有限元模型的建立根据钢筋的建模方式分为3 种[ 14 ] , 即分离式(D iscrete model)、分布式(Sm earedmodel) 和组合式模型。分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理。可以根据不同的单元类型进行组合, 在该模型中可以插入联结单元考虑粘结和滑移, 如果认为粘结很好, 也可以不考虑联结单元问题。分布式模型是把钢筋以一定的角度分布于整个单元中并认为二者为粘结很好的连续均匀的材料。组合式模型也认为二者之间粘结很好, 没有相对滑移。与分布式模型比较, 二者的差异在于:组合式是分别求出各自的刚度矩阵进行组合, 而分布式是在弹性矩阵中考虑各自对刚度的贡献。
在建立钢丝网RPC 模型时, 可以将钢丝看作小直径的钢筋。但钢丝网为密排形式, 数量多, 因此综合考虑各种建模方式[ 15, 16 ]和计算机资源的限制, 并根据试验情况, 本文对钢丝网RPC 靶体模型的建立进行了简化。靶体的几何模型采用so lid164 三维实体单元, 靶体整体为10 cm ×10 cm ×3 cm , 依据试验的侵彻深度模型设置钢丝网为两层。由于对称, 建立1/4 模型。对靶体整体划分单元后, 修改钢丝网材料所在位置的单元属性, 对钢丝材料进行定义, 钢丝单元截面为边长1 mm 的正方形。靶体有限元模型如图4 所示, 钢丝网有限元模型如图5 所示。靶体对称面上的节点设置了对称约束, 侧面施加了边界条件。
弹体的几何模型也采用so lid164 三维实体单元, 弹体对称面上的节点设置了对称约束。弹体与靶体之间的接触采用面—面接触的侵蚀算法。弹体有限元模型, 如图6 所示。
2.2 材料模型
钢丝网RPC 靶体模型中含有钢丝和RPC 两种材料, 在材料模型中分别设置其材料参数。由于试验条件的限制, 模型中的材料参数并不能从试验中全部得到, 本文有限元分析中使用的参数是结合试验数据和参考此方面文献资料后综合得出的。其中, 钢丝密度7 830 kg/m 3, 抗拉强度1 150M Pa, 钢丝材料采用JOHN SON - COO K 模型。RPC 材料密度2 320kg/m 3, 泊松比0.22, 抗压强度180M Pa, 弹性模量3.78×104 M Pa。钢纤维RPC 模型将钢纤维认为是各向同性均匀分布在基体材料中, 等效为整体进行参数设置, 其抗压强度为158M Pa。靶体材料采用PLA ST IC- K IN EMA T IC 模型, 该模型的应变效率由Cowper2Symonds 模型确定, 屈服应力与因子1+ (E·/C ) 1/p 成比例关系。其中, E·为应变效率; C 和P为Cowper2Symonds 模型的应变率参数。模型通过硬化参数B 来调整随动硬化(B= 0) , 各向同性硬化(B= 1) 和混合硬化(0< B< 1)。弹体质量为7.69 g,弹速为710 m / s。
2.3 计算结果
图7 (a) 为侵彻计算结果, 取1/2 模型进行观察,可以看到钢丝网RPC 的开坑现象, 此结果与文献[6 ]的试验现象是较一致的。图8 为位移时程曲线。由位移时程曲线可以看出, 弹体的侵彻深度在N 6
和B2 材料中分别为2.5、2 cm 左右, 与试验测量侵彻深度数据吻合。表明数值计算中所选取的材料参数是合理的, 计算方法可行。
3 结 语
(1) 钢丝网多层平面有序地分布在活性粉末混凝土中, 具有优异的抗整体开裂的性能, 且钢丝网来源广泛, 施工方便。钢丝网RPC 可作为避弹层的优选材料。
(2) 在数值计算中, 钢丝网RPC 的等效模型的建立是关键问题。本文数值模拟的侵彻深度计算结果与试验结果相符, 表明所建立的模型可以正确描述钢丝网RPC 材料。
(3) 应进一步使用弹道试验和数值模拟相结合的方法, 对钢丝网RPC 在不同弹速下的侵彻深度进行分析研究, 为其侵彻理论分析提供可靠的依据。
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