Lode角在典型金属靶抗平头弹冲击数值模拟中的作用机制分析

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近几年来,针对平头弹撞击金属靶数值模拟的挑战,有学者尝试将Lode角引入断裂准则来提高数值模拟的精度,目前,有限的研究发现,Lode角的引入能够提高铝合金靶板数值模拟的精度;而对于高强钢则不能。(1)针对目前Lode角在高强钢靶弹道极限(BLV)数值模拟中的作用研究过少的问题,本文利用一级轻气炮在114.7~414.66 m/s的速度范围内开展了直径5.95 mm的刚性平头弹撞击4 mm厚的40Cr Ni Mo A和Weldox 900 E高强钢靶板的弹道实验;为获得材料模型参数,对40Cr Ni Mo A开展了常温准静态拉伸、剪切拉伸、平面应变拉伸、动态压缩和高温拉伸等力学测试;采用一种修改形式的Johnson-Cook(MJC)本构模型来描述材料的应力流动行为,一种修改形式的Lode角无关的MJC断裂准则和Lode角相关的Mohr-Coulomb(MMC)断裂准则来描述材料的断裂轨迹,模型参数采用数值模拟与实验相结合的方法进行标定;使用Abaqus建立了与弹道实验相应的有限元计算模型,对比了Lode相关和Lode无关两种断裂准则的数值模拟结果。结果表明:(1)40Cr Ni Mo A的断裂轨迹明显依赖于Lode角。(2)两种高强钢均为剪切冲塞失效,40Cr Ni Mo A和Weldox 900 E高强钢的弹道极限分别为167.16 m/s和172.93 m/s。(3)两种断裂准则预测的弹道极限均与实验非常相近,靶板的剪切冲塞破坏模式得到了合理预报。这表明Lode角在这两种高强钢靶抗平头弹侵彻行为的数值模拟中并没有发挥作用。(2)针对Lode角引入断裂准则在铝合金和高强钢抵抗平头弹撞击数值模拟中呈现出两种截然不同的效果的问题,本文基于绝热剪切和延性断裂两种破坏机理对7075-T651和2024-T351铝合金以及Weldox 700 E、Weldox 900 E、40Cr Ni Mo A高强钢以及316L不锈钢靶板在平头弹撞击下的弹道极限进行了有限元模拟,其中,绝热剪切通过应力塌陷进行模拟。结果发现:(1)40Cr Ni Mo A、Weldox 900 E和Weldox 700 E高强钢的绝热剪切失稳应变低于延性断裂应变,靶板的剪切冲塞破坏主要由绝热剪切失稳造成,故即使将Lode角引入断裂准则也不对其数值模拟结果产生影响;(2)对于7075-T651铝合金、2024-T351铝合金和316L不锈钢,延性断裂应变低于绝热剪切失稳应变,靶板剪切冲塞破坏主要是由延性断裂导致,故将Lode角引入断裂准则能够提高其数值模拟精度。因此,Lode角是否能在金属靶板抗侵彻行为的数值模拟中发挥作用与靶板的失效机理有关。
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