Page 9 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 李孝臣，等： 蜂窝管表层约束混凝土抗高速侵彻性能研究 第 12 期

2 数值模拟

2.1 计算模型
Bullet
物质点法 [15-18] （material point method, MPM）是目前超高速碰撞
和爆炸数值分析中最有前景的方法之一 [19-21] ，采用 MPM3D [22] 对侵
彻 过 程 进 行 分 析 。 计 算 模 型 按 照 试 验 参 数 建 立 ， 混 凝 土 半 径 为 Honeycomb steel pipe
Honeycomb steel pipe
190 mm，外侧钢制套筒厚度为 5 mm，蜂窝钢管厚度为 2.5 mm。为
了节约计算资源，建立 1/4 模型，1/4 界面处设立对称边界，钢制套筒 Steel
Steel
Symmetric
设立自由边界。基于粒子尺寸敏感性分析结果，模拟弹体粒子尺寸 boundary
Concrete
为 0.5 mm，其余粒子大小均为 1 mm。侵彻素混凝土和蜂窝约束钢 Concrete
管混凝土模型见图 9。
弹体本构模型采用 Johnson-Cook 模型，状态方程采用 Grüneisen
状态方程；混凝土本构模型采用 Holmquist-Johnson-Cook 模型；蜂窝
图 9 计算模型图
钢管和钢制套筒采用 ElaPlastic 材料模型，详细参数见文献 [23-25]。
Fig. 9 Simulation model
2.2 背景网格收敛性分析
为了减小背景网格大小对侵彻数值模拟结 0
果的影响，在数值模拟计算前需对背景网格进行 1.0 mm
1.2 mm
−50 1.5 mm
收敛性分析，在保证数值模拟结果正确性的同时 1.8 mm
−100 2.0 mm
提高计算效率。因此分别选用背景网格大小为 3.0 mm
3.0、2.0、1.8、1.5、1.2 和 1.0 mm，不同背景网格 P/mm −150
侵彻素混凝土的弹体侵彻位移-时间曲线，如图 10 −200
所示。 −250
从图 10 可以看出，网格在 1～3 mm 内是收
−300
敛的。1.2 mm 背景网格计算结果与 1 mm 误差 0 0.1 0.2 0.3 0.4
仅为 1.7% 而花费的时间仅有前者的 62.3%，与 t/ms
试验结果误差为 5.65%，其既可以保证结果正确 图 10 不同背景网格尺寸弹体位移-时间曲线
又可以提高计算效率，所以选用 1.2 mm 背景网 Fig. 10 Displacement-time curves of projectiles
格是合理的。 with different background grid sizes

2.3 结果分析

为 了 检 验 数 值 模 拟 中 弹 靶 参 数 的 准 确 性 ，
0
分别模拟试验工况 H0、H20 和 H50，侵彻过程位 H0
H20
移-时间曲线如图 11 所示。 −50 H50
从弹体的位移-时间曲线可以看出，弹体经 −100
历了由减速到回弹，3 种工况下弹体的最大侵深 P/mm −150
分别为 274.6、272.5 和 268.4 mm，与试验结果的
−200
误差分别为 5.65%、5.25% 和 2.40%，误差均不大
于 6%。 −250
提取侵彻完成靶体开坑损伤图与试验结果 −300
0 0.1 0.2 0.3
对比如图 12 所示。 t/ms
从图 12 可以看出，数值模拟的靶体开坑范
图 11 不同工况下弹体位移-时间曲线
围与试验结果较为接近，H0、H20 和 H50 这 3 组
Fig. 11 Displacement-time curves of a projectile penetrating
靶体开坑半径的模拟结果与试验结果误差依次 into plain concreteunder different work conditions

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