Page 80 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 李千一，等： 新型TWIP钢/陶瓷复合结构的抗冲击性能 第 4 期

4 有限元模拟

4.1 有限元模型建立
通过有限元模拟得到了轻气炮冲击载荷下飞片与试样的相互作用、应力分布以及应力波的传播过
程。如图 8 所示，利用 ANSYS/LS-DYNA 建立三维（3D）有限元模型。模型的均匀网格采用 0.08 mm 的
单元网格尺寸。由于本文应变率范围内的绝热温升均小于 200 K，因此本文有限元模拟中采用忽略热软
化效应的 J-C（Johnson Cook）本构模型 [19-21] 描述新型 TWIP 钢材料：
n
∗
σ = (A JC + B JC ε )(1+C JC ln ˙ε ) (5)
式中：A 为准静载荷下的屈服应力；B 为应变硬化模量；C 为应变率强化参数；n 为硬化指数；ε 为应
C
C
C
J J J
˙ ε * ˙ ε = ˙ε/˙ε 0 。根据文献 [4, 9] 的研究成果，A=350 MPa，B=1 097 MPa，C=0.23，
*
变； 为相对等效塑性应变率，
n=0.51。几何体之间采用侵蚀相互作用描述 [12,22] 。

图 8 模型与网格
Fig. 8 Model and grid

新型 TWIP 钢材料的失效模型采用的是 tensile pressure failure 最大拉伸应力模型 (σ ≥σ ，σ 为拉
f
f
sp
伸应力)，为控制变量，将最大拉伸压力统一定义为实验所得的层裂强度 3.1 GPa，符号取负。
对两种不同材料的网格划分也不同，如图 8 所示，对于塑性较好的 TWIP 钢，采用拉格朗日法划分网
格，其控制方程简单并且求解过程高效；而对于碰撞后发生粉碎的 SiC 陶瓷，则采用 SPH 粒子法，能很好
地避免网格畸变引起的计算提前终结，对新型
表 5 SiC 陶瓷基本力学参数
TWIP 钢和陶瓷之间的接触区域则定义为摩擦接
Table 5 Basic mechanical parameters of SiC ceramics
触，设置摩擦系数为 0.35，动力系数为 0.4，衰变
系数为零。陶瓷的基本力学参数见表 5，失效模 密度/ 杨氏模量/ 泊松比 体积模量/ 剪切模量/
−3
(g·cm ) GPa GPa GPa
型采用的也是 tensile pressure failure 最大拉伸应
350 245 0.51 157 99
力模型，将最大拉伸压力定义为 0.45 GPa，符号
取负。
将飞片的撞击速度设置为 492 m/s，方向为 z 轴负方向，并定义样品中的钢与陶瓷的接触。计算时长
设置为 10 s，时步安全系数设置为 0.9，计算等距点设置为 100 个。飞片与样品之间的几何体交互设置
−5
为摩擦，摩擦系数为 0.4，在完成系列设置后进行求解。
4.2 数值分析结果
图 9 为复合结构中的 TWIP 钢在撞击结束后的形变以及应力分布。高压气室中的压缩气体使飞片
沿枪管加速，以 492 m/s 的速度撞击目标。可以看出在撞击过后试样产生了轻微的弯曲，中心位置出现
层裂，模拟结果与 SEM 图中的结果基本相符。应力分布中最大应力为 2.98 GPa，略小于实验所得的层裂
强度。图 10 中展示了不同时刻的 LS-DYNA 等效应力分布图。可以看出，瞬间的加载会让应力波从边
缘向中心传播，最后在中心位置产生应力集中，产生裂纹聚集发生层裂。并且，在碰撞后的一小段时间
里，还会有较弱的应力波在试样中传播，最后慢慢停止。
图 11 为复合结构中新型 TWIP 钢层裂裂纹形貌，从剖面图可以看出，492 m/s 的冲击速度下，裂纹主

043101-7