Page 110 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 王宇相，等： 近爆条件下高强钢板的抗爆性能与几何参数影响规律研究 第 5 期

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˙ ε = ˙ε/ε 0 ε 0 为参考应变率；A 为在标准条件下材料的屈服应力；
式中： σ 为等效应力； ε 为等效塑性应变； ，
B 为应变硬化变量；C 为应变率强化因子；n 为应变硬化因子。
为确定高强钢的 J-C 模型参数，Yang 等 [26] 以 S690 高强钢材料作为研究对象，通过 SHPB 试验对圆
柱试样施加了不同速度的 6 组撞击（12.1、16.6、20.1、25.6、29.8 和 33.3 m/s），基于两波法，分析高应变率
ε T 所对应的应变数据通过粘贴在入
条件下高强钢的应力应变曲线，其中：入射波 ε I 、反射波 ε R 和透射波
射杆与透射杆中间的应变片采集得到。本文采用 ANSYS/LS-DYN 对 SHPB 试验进行模拟，所用 J-C 参
数 见 表 2。 如 图 2 所 示 ， SHPB 杆 件 系 统 由 撞 击 杆 、 入 射 杆 、 透 射 杆 、 吸 收 杆 组 成 ， 撞 击 杆 的 长 度 为
200 mm，入射杆和透射杆均为 1 200 mm。所有杆件直径均为 16 mm。撞击杆以 v 的速度撞击入射杆，得
0
到撞击后杆件中的原始应力波数据（图 3(a)），可
表 2 S690 的 J-C 模型参数
以发现随着撞击杆冲击速度的增大，杆件系统中
Table 2 J-C model parameters for S690
的应力波逐渐增大。获取六种冲击速度下高强
A/MPa B/MPa C n
钢试件的平均应变率，并计算不同应变率下的动
722 400 0.21 0.57
态屈服强度（图 3(b)）。
Strike bar Incident bar Specimen Transmission bar Absorbing bar

Measuring point
图 2 SHPB 系统示意图
Fig. 2 Schematic of the SHPB system
0.004 v 0 =12.1 m/s 1 200

0.003 v 0 =16.6 m/s 1 000
0.002 ε I v 0 =20.1 m/s 800 3 321 s −1
Strain 0.001 0 ε T Dynamic yield stress/(N·mm −2 ) 600 244 s −1 1 260 s −1 2 209 s −1 2 850 s −1 3 679 s −1
v 0 =25.6 m/s ε R 400
−0.001 v 0 =29.8 m/s 200 Specimen after Test
−0.002 v 0 =33.3 m/s impact Simulation
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 000 2 000 3 000 4 000
Time/ms Strain rate/s −1
(a) Three-wave signals of the incident bar (b) Trend of dynamic yield strength with
and transmission bar strain rate variation
图 3 SHPB 试验与模拟结果
Fig. 3 SHPB test and simulation results
图 3(b) 显示：高强钢试样的动态屈服强度由 793 MPa 上升到 1 085 MPa，数值仿真得到的动态屈服
强度则是由 841 MPa 上升到 1 106 MPa，试验与数值仿真结果均表明高强钢的动态屈服强度随应变率的
增加呈上升的变化趋势，该现象可归因于金属材料普遍具备的应变率硬化效应 [27] 。此外，试验结果与仿
真结果最大误差仅为 5.7%，故两者吻合程度较高。综上，本研究所采用的 J-C 本构模型参数具有较好的
可靠性，能准确地反映高强钢在高应变率条件下的应力-应变关系。基于此，本文采用相同模型参数进一
步对爆炸荷载作用下高强钢板的抗爆行为进行了较系统的研究。

1.3 模拟工况设置
数值模拟具有网格依赖性的特点，故这里采用边长 1 000 mm、厚度 10 mm 的高强钢板开展网格敏
感性分析。在 0.5 kg TNT 炸药作用下，分别研究 1、2、2.5、5 mm 尺寸网格条件下钢板的变形结果。如
图 4 所示，当高强钢板网格减小到 2 mm 时，迎爆面中心点的位移曲线以及最大位移出现饱和的趋势，表

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