Page 134 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 戴湘晖，等： 椭圆截面弹体斜侵彻混凝土弹道特性的数值研究 第 6 期

2 数值模型

2.1 有限元模型

为 了 确 保 数 值 模 拟 结 果 具 有 一 定 的 泛 化
性，弹体采用典型椭圆截面单卵头形结构，长短
轴比为 2，等效 CRH（caliber-radius-head）为 3，弹 Projectile
Concrete 68 mm
长 176 mm；混凝土靶板尺寸 ∅ 1.2 m × 1 m，抗压 1.2 m target
强度 35 MPa。根据弹靶交会条件的对称性，建
176 mm
立 1/2 或全域有限元模型，如图 2 所示。弹体和
混凝土均采用八节点六面体实体单元（SOLID164）， 1 m
选用单点积分 LAGRANGE 算法。对靶板中心 (a) Half model
区域网格局部加密，避免因单元失效给计算结果
带来较大误差，提高计算精度和效率。定义弹体
Projectile
与靶板之间的接触为面-面侵蚀接触（*CONTACT_ Concrete 68 mm
target
ERODING_SURFACE_TO_SURFACE），并在靶
板边界施加非反射边界条件。 176 mm
2.2 材料模型 1 m
弹体侵彻混凝土问题为大应变、高应变率 (b) Global model
问题，准确的材料模型是实现有效数值模拟的前
图 2 有限元模型
提 。 弹 体 材 料 为 35CrMnSiA 高 强 钢 ， 在 LS-
Fig. 2 Finite element model
DYNA 程序中采用 Johnson-Cook 本构模型表
征 [19-20] 。该模型可用来描述材料在高应变率、大变形和高温条件下的本构关系，在冲击及金属爆炸成形
领域应用广泛，其流动应力 σ 的表达式为：
Y
( )
∗m
n
σ Y = A+ Bε (1+C ln ˙ε )(1−T ) (1)
∗
p
式中：A、B、C、m、n 为材料参数； ε p 为等效塑性应变； ˙ ε ∗ 为无量纲等效塑性应变率，即 ˙ ε = ε p /˙ε 0 ，其中 ˙ ε 0
∗
*
为参考应变率；T = (T − T )/(T − T ) 为相对温度，其中 T m 为室温，T t 为熔点。弹体材料的本构
room melt room roo mel
模型参数如表 1 所示，其中 ρ 为密度，E 为弹性模量，ν 为泊松比。
[21]
表 1 35CrMnSiA 钢的 Johnson-Cook 本构模型参数
Table 1 Parameters of Johnson-Cook constitutive model for steel 35CrMnSiA [21]
−3
ρ/(g·cm ) E/GPa ν A/MPa B/MPa n C m T melt /K
7.85 210 0.29 1 280 346 0.372 0.015 1.027 1 775
混凝土靶板材料采用 Johnson-Holmquist-Concrete（JHC）模型 [22] ，参数如表 2 所示。其中，f 为静态抗
c
压强度，A 为内聚力强度，B 为压力强化系数，C 为应变率敏感系数，S x 为混凝土所能达到的最大强
1
1
1
F,ma
度，G 为剪切模量，D 和 1 D 为损伤参数，N 为压力硬化系数，E F,mi n 为混凝土最小塑性应变，T 为混凝土最
2
大拉伸强度，p crus h 为弹性阶段压力阈值，μ crus h 为相应的体积应变，μ loc k 为混凝土完全压实时的体积应变，
p k 3 ˙ ε 00 为量纲为一的应变率。混凝土的抗压强度很高，抗拉强度只有
1
loc 为相应的压力，K 、K 、K 为常数，
2
抗压强度的 1/10 左右，在实际工程运用中主要承受压缩载荷。由于 JHC 模型是压缩失效类本构方程，只
考虑材料的压缩破坏，因此混凝土单元只会产生畸变而不失效，与实际现象严重不符。另外，由于缺少
拉 伸 失 效 准 则 ， 混 凝 土 不 会 产 生 由 微 裂 纹 扩 展 贯 通 形 成 的 成 坑 、 崩 落 现 象 。 本 文 通 过 添 加 *MAT_
ADD_EROSION 材料失效模型，设定模型中失效应变大小，当应变超过设定值后，该单元自动删除以模
拟混凝土失效。

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