ANSYS非均质材料在过载作用下的数值模拟研究(11)
6高过载下火工品的加固与数值模拟
在武器弹药系统中对雷管在高载荷下安全性要求比较高，虽然在自身结构方面针对冲击载荷做了优化设计, 但由于受武器系统总体性能要求的限制, 改进的空间不是很大,这就需要外加隔振装置来降低冲击的传递, 以保证其正常工作。
按照所用材料的不同, 隔振器可分为3大类: 金属弹簧类、橡胶类、空气弹簧类. 综合上述分析结果, 以及侵彻系统结构单元的特点和其功能的特殊性, 采用橡胶类隔振器较适合.常用的缓冲减振材料( 泡沫塑料或泡沫硅橡胶泡沫铝等) 属于低密度多孔介质, 这类材料的变形过程大致可分为3个阶段: 弹性区、屈服平台区和压实区,由于其平台区很宽, 因此它的吸能效果很好, 又由于其平台值较低, 因此在介质被压实之前不可能传递超过平台值的力, 是种缓冲性能好的材料. 另外, 它的刚度低, 尤其是一些柔软的多孔介质, 还是一种减振性能好的材料.
泡沫铝具有良好的减震与衰减爆炸冲击波性能，被广泛应用于航空航天、防护工程、交通运输等领域的缓冲吸能装置［26］。有关泡沫铝衰减爆炸冲击波性能的问题已经有了多方面的研究，并取得了一定的成果。如田杰等人［27］研究泡沫铝衰减密闭容器中冲击波压力的性能。研究结果显示，泡沫铝放置在密闭容器内表面、外表面或作为夹芯设置在容器结构层中间均能有效衰减接触爆炸下密闭容器内的冲击波压力；同时得出一层10mmA3钢板与一层10mm厚泡沫铝缓冲层的衰减性能要优于两层10mm的A3钢板。王宇新等人［28］运用弹性应力波的理论给出了冲击波在泡沫铝夹芯结构中的传播规律的理论计算方法。 A．Reyes等[29]通过实验研究了空心和填充了泡沫铝的薄壁铝管受准静态倾斜载荷的变形，并讨论了加入泡沫铝填充材料对能量吸收的影响。M．G den等[30]进行了空管、填充和部分填充泡沫金属的铝管轴向压缩实验，发现部分填充泡沫金属的薄壁铝管的褶皱长度变小，管材的平均压溃载荷变大，证实了泡
沫金属与薄壁管材之间的相互作用行为。
6.1 数值模拟
弹体，混凝土靶以及火工品结构与上例基本相同，本次模拟在上次模拟的火工品外部添加了一层泡沫铝加固层， B.A.Gama等[31]对泡沫铝材料进行数值模拟时曾采用Honeycomb蜂窝结构模型，这里采用CRUSHABLE_FOAM本构模型来模拟。王永刚[32]等通过SHPB实验得到了如图14所示泡沫铝应力应变曲线及其他参数:
,E=1.2Gpa, =0.3, =10MPa。其中 为拉伸载荷下定义失效的拉伸应力截止值。
6.2结果分析
运行LS-PREPOST求解器对这一模型的K文件进行计算并与未用泡沫铝加固的模拟结果进行比较得到如下图
从图中可以看出，由于应力传播的机理，泡沫铝加固火工品的减加速度历程曲线各单元的有效应力曲线较未加固的火工品有明显的特征：（1）在峰值到达时间上有一定的延迟;(2)峰值有一定程度的衰减（3）峰值脉冲有一定的展宽。在泡沫铝材料的缓冲作用下，火工品壳体的加减速度历程除了具有以上三个特征之外，该处的减加速度也有较大幅度减小。由于冲击应力波对测试装置的破坏作用远大于静态应力，而缓冲的目的就是为了将冲击波展宽，使幅值拉低，因此泡沫铝材料在高速冲击的过程中起到了一定的缓冲作用。利用泡沫铝可达到缓冲的目的，用来防止测试装置与弹体之间的刚性碰撞，从而避免冲击过载对测试装置的破坏作用。
结论
（1）用不同初速的弹丸对相同厚度的混凝土靶的垂直侵彻进行分析时，数值模拟分析的结果显示： 弹丸的初始速度越大，弹丸与受试火工品组件的最大过载值也就越大，在一定的速度范围内，脉宽与初速度的增长成正比关系变化；当初速度增大到超过某一限值时， 两者的过载加速度峰值的脉宽不增反降，此时弹丸的速度相当大，有足够的能量利用自身速度快速地穿过靶板， 使弹靶系统侵彻作用的时间大大减少， 这样虽然弹丸受到的过载加速度峰值增大了，但是由于作用时间的极大缩短，脉宽也受到了限制。另外，通过两者过载曲线的比较发现，火工品的过载曲线明显滞后于弹丸。