Page 18 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 彭 建，等： 核级不锈钢Z2CN18.10的Johnson-Cook本构模型和失效准则 第 8 期

实验和仿真的峰值力分别为 64.5 和 66.0 kN，相对偏差仅为 2.3%。在 254 m/s 条件下，载荷时程同样
呈现出约 1.8 ms 的初始振荡阶段后达到峰值，实验和仿真的峰值力分别为 27.5 和 28.0 kN，偏差为
1.8%。值得注意的是，弹速从 202 m/s 提高至 254 m/s 后，支撑峰值载荷显著下降了 57.4%，载荷到达峰值
后快速下降，仿真曲线准确捕捉到了靶板穿透时单元删除导致的卸载波特征。弹体在 254 m/s 速度下穿
透靶板后仍具有 133 m/s 的剩余速度，导致靶板吸收能量从 2.26 kJ 降至 0.81 kJ，降幅达 64.2%，从而显著
降低了结构动态响应载荷。结果表明，所建立的 J-C 模型能够准确预测不同冲击速度下结构的动态力学
行为与能量吸收特性，进一步验证了该本构模型在冲击工况下的有效性与可靠性。
综上所述，通过系统对比高速冲击实验与数值仿真结果，发现两者在变形形貌、损伤特征、应变时
程及支撑载荷等方面均表现出良好的一致性。具体而言，穿孔直径偏差为 4.4%，变形深度偏差小于
9.1%；距撞击中心不同位置处的应变时程响应中，峰值应变最大偏差为 7.5%；支撑反力峰值载荷偏差最
大为 2.3%。这些结果表明，基于实验标定所建立的 J-C 本构模型及失效参数能够有效预测 Z2CN18.10
不锈钢在动态冲击下的力学响应、破坏模式与能量耗散行为，具有较强的工程适用性和可靠性，可用于
该类材料在冲击载荷下的结构性能评估与抗撞设计优化。

3 结 论

通过系统的实验研究与数值模拟，建立了核级不锈钢 Z2CN18.10 的 J-C 本构模型与失效准则，并验
证了其在动态冲击条件下的适用性与准确性，获得的主要结论如下。
(1) 提供了 Z2CN18.10 在核电站应用场景下精确的动态本构与失效准则参数。通过准静态、动态拉
伸及缺口实验，系统性研究了材料在不同温度（25～400 ℃）、应变率（10 ～10 s ）和应力三轴度（0.333 3～
−3
−1
3
0.738 8）下的力学行为，拟合了 Z2CN18.10 的 J-C 本构模型和失效准则参数。
(2) 通过先进的实验技术和独立的冲击实验验证了模型的工程适用性与可靠性。针对传统 Hopkinson
杆的局限，采用电磁驱动双向 Hopkinson 拉杆技术以获得更精确的大应变加载下的失效数据。通过空气
炮高速冲击实验这一接近实际工况的验证手段，对标定的 J-C 模型进行了独立验证。数值仿真结果与实
验结果在破孔尺寸、峰值应变和支撑反力等方面吻合良好（相对误差分别为 4.4%、7.5% 和 2.3%）。
(3) 建立的模型能有效预测高塑性 Z2CN18.10 不锈钢在高速冲击下的动态响应与失效行为，为其在
核电站管道系统抗冲击设计与安全评估中的应用提供了可靠依据。

参考文献：
[1] HAF102—2016 核动力厂设计安全规定 [S].
[2] 卢喜丰, 王新军, 熊夫睿, 等. 核级管道强动态载荷传递特性研究 [J]. 核动力工程, 2023, 44(S2): 98–103. DOI: 10.13832/
j.jnpe.2023.S2.0098.
LU X F, WANG X J, XIONG F R, et al. Research on strong dynamic load transfer characteristics of nuclear pipe [J]. Nuclear
Power Engineering, 2023, 44(S2): 98–103. DOI: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0098.
[3] TENG X, WIERZBICKI T. Evaluation of six fracture models in high velocity perforation [J]. Engineering Fracture
Mechanics, 2006, 73(12): 1653–1678. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2006.01.009.
[4] MIRONE G, CORALLO D. A local viewpoint for evaluating the influence of stress triaxiality and Lode angle on ductile
failure and hardening [J]. International Journal of Plasticity, 2010, 26(3): 348–371. DOI: 10.1016/j.ijplas.2009.07.006.
[5] JOHNSON G R, COOK W H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates, and high
temperatures [C]//Proceedings 7th International Symposium on Ballistics. Hague, 1983: 541–547.
[6] 张伟, 肖新科, 魏刚. 7A04 铝合金的本构关系和失效模型 [J]. 爆炸与冲击, 2011, 31(1): 81–87. DOI: 10.11883/1001-
1455(2011)01-0081-07.
ZHANG W, XIAO X K, WEI G. Constitutive relation and fracture model of 7A04 aluminum alloy [J]. Explosion and Shock
Waves, 2011, 31(1): 81–87. DOI: 10.11883/1001-1455(2011)01-0081-07.
[7] CHENG W Y, OUTEIRO J, COSTES J P, et al. A constitutive model for Ti6Al4V considering the state of stress and strain

081001-15