Page 172 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 杨石刚，等： 柱形装药接触爆炸作用下钢纤维混凝土靶成坑效应预测模型 第 9 期

为一种无网格粒子方法，通过健失效机制描述材料断裂与破坏过程，适用于侵彻、爆炸等强动载作用下
的大变形问题。因此，本文采用 SPG-S-ALE 流固耦合算法，构建 SFRC 数值模型。
1.1 有限元模型

模 型 采 用 1/4 对 称 建 模 （ 见 图 1） ， 由 柱 形 装 药 、 空 气 域 、 SFRC 靶 体 和 约 束 钢 板 4 部 分 组 成 。
SFRC 靶体厚度为 1 000 mm、直径为 3 000 mm，内部绑扎 6 层 ∅ 20 mm@180 mm 钢筋（见图 1(b)）并用
CF60 钢纤维混凝土（V =1%，V 为钢纤维的体积分数）密实填充，其最外圈设置厚度为 5 mm 的 Q235 钢板
f
f
进行约束。空气域尺寸为 800 mm×800 mm×2 100 mm。
Flow-out boundary

Air

TNT
Destination
l 1 000 mm
d/2
Bar
CF60 180 mm
z y
x 1 500 mm
o 180 mm 180 mm

图 1 SFRC 靶体有限元模型
Fig. 1 A finite element model for the target of SFRC

SFRC 靶体采用 SPG 单元。靶体采用渐变网格，中部加密区域（600 mm×600 mm×1 000 mm）网格为
尺寸 10 mm。Q235 钢板采用 Shell 单元，钢筋采用 Beam 单元。炸药和空气采用 S-ALE 网格。对爆炸区
域的空气网格进行加密（尺寸 10 mm），炸药网格尺寸 10 mm，并选用底部起爆方式。欧拉边界设置无反
射边界条件，以避免应力波反射造成的误差。在 zOx 和 zOy 平面设置对称约束限制网格节点的旋转和位
移。钢筋与 SFRC 之间的耦合通过关键字﹡CONSTRAINED_IMMERSED_IN_SPG 实现，其控制方程主
要基于位移协调条件，方程 [22-23] 如下：

N P
∑
u k = [Ψ i (x k )u i ] (1)
1
式中：u 为钢筋节点 k 处的位移，u 为钢筋节点 k 所在位置附近第 i 个 SPG 粒子的位移， Ψ i (x k ) 为 SPG 粒
k
i
子 i 在钢筋节点 k 位置 x 处的形函数，N 为钢筋节点 k 所在位置附近 SPG 粒子总数。
P
k
1.2 材料模型
在数值模拟中，将 CF60 钢纤维混凝土作为均质材料处理，采用 K＆C 模型进行描述。尹华伟等 [24]
针对 K＆C 模型无法准确表征 SFRC 动力特性的不足，开展了大量三轴压缩试验、单轴压缩及单轴拉伸
试验，分别对其强度面参数、压缩损伤参数 b 与拉伸损伤参数 b 进行了修正。修正后的 K＆C 模型能
1
2
够较为准确地反映 SFRC 靶板在爆炸荷载作用下的动力响应。修正后的强度面参数计算公式 [24] 如下：

 0 = (0.232+0.133V f ) f c , a 1 = 0.378+0.103V f , a 3 = (0.149−0.047V f )/ f c
a

a 0y = (0.194+0.068V f ) f c , a 1y = 0.504+0.202V f , a 2y = (0.452−0.142V f )/ f c (2)


a 1f = 0.374+0.102V f , a 2f = (0.218−0.068V f )/ f c
095201-3