CN111914451B - 车辆薄板冲击波毁伤等效靶及等效实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了车辆薄板冲击波毁伤等效靶及等效实验方法。所公开的车辆薄板冲击波毁伤等效靶是基于等效基频、车辆薄板的几何参数和材料参数所确定的圆形板等效靶。所公开的等效实验方法是通过冲击动力学仿真的方法确定原型车辆薄板与等效靶结构的变形映射关系，之后根据等效靶的冲击波毁伤变形采用两者的映射关系确定原车辆薄板的变形。本发明基于车辆薄板的基频可快速设计出具有相似变形的冲击波毁伤等效靶，并给出变形的等效关系，提高了等效靶的设计效率，降低车辆薄板的试验成本。
Description
技术领域
本发明属于爆炸毁伤试验领域，具体涉及一种车辆薄板的冲击波毁伤等效靶设计方法。
背景技术
车辆是爆炸毁伤效应试验中常见的一种靶标，在爆炸威力场中车辆靶标的迎爆面主要包括车门外板、油箱和驾驶室等金属薄板部件，通过分析各部件薄板的毁伤情况可间接表征弹药的毁伤威力。
作为一种弹药威力评价的靶标，试验中需要靶标具备稳定的变形性能，便于对比不同弹药之间的毁伤能力。但目前靶场试验中布设的车辆靶标主要为报废车辆，其破坏的稳定性较差，多数破坏模式无法复现；而布设全新的车辆靶标虽然能满足稳定性的需求，但试验成本高，无法支撑大量试验；且考虑到车辆薄板(车辆薄板是指车辆中厚度较薄的金属结构，一般指油箱、驾驶室车门、驾驶室车身、工具箱等薄板)的边界约束方式复杂，虽然可以采用等尺寸设计车辆薄板的等效靶，但薄板的边界约束方式难以真实模拟，从而导致设计的等效靶无法真实模拟车辆薄板的毁伤特征。
目前，缺乏与车辆薄板有关的冲击波毁伤等效靶设计方法，现有的冲击波毁伤等效靶设计方法主要以舰船舱室结构为对象，现有技术“舰船易损性分析中船用钢的等效靶研究”中给出了一种船用钢板的等效靶设计方法，但该方法未考虑舰船真实边界对钢板变形的影响；专利技术“一种舰船舱室内爆炸效应等效试验模型”给出了一种舰船舱室结构的爆炸效应等效方法，虽然该方法可应用于典型结构的毁伤等效靶标设计，但给出的设计方法中部分模型参数需要人为给定，降低了该方法的适用性和通用性，无法用于车辆薄板的等效设计。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷或不足，本发明一方面提供了一种车辆薄板冲击波毁伤等效靶。
为此，本发明所提供的车辆薄板冲击波毁伤等效靶包括圆形板，所述圆形板的材料与车辆薄板的材料相同，或者圆形板材料的静态屈服强度为车辆薄板的材料屈服强度的90％-110％；
所述圆形板的厚度h小于车辆薄板的厚度；
所述圆形板的半径R根据公式c确定；
式c中：ωe取车辆薄板的基频，E为圆形板材料的弹性模量，ρ为圆形板材料的密度，μ为圆形板材料的泊松比。
可选的，所述圆形板的材料选用铝合金或钢材。
可选的，所述圆形板的厚度从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取。
可选的，所述车辆薄板的基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取。
进一步，还包括周边固支架，所述圆形板安装在周边固支架上，且所述圆形板的圆心与所述车辆薄板的几何中心重合。
另一方面，本发明提供一种车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法。为此，本发明所提供的方法包括：
(1)采用有限元方法对拟等效车辆薄板和上述等效靶进行冲击变形仿真分析，建立不同冲击波压力载荷作用下，车辆薄板的残余挠度变形y0与上述等效靶的残余挠度变形ye的关联模型；
(2)采用上述等效靶进行冲击波毁伤实验，爆心正对圆形板的圆心，获取等效靶在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；所述爆心正对圆形板的圆心是指爆心位于圆形板的经过其圆心的轴线上；
(3)利用步骤(1)确定的关联模型和步骤(2)得到的残余挠度变形获取车辆薄板在在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形。
进一步，所述步骤(1)包括：
步骤(1.1)测量拟等效车辆薄板的几何尺寸，确定边界约束条件和材料参数，建立车辆薄板有限元仿真模型；
步骤(1.2)采用振动模态实验或模态仿真分析获取车辆薄板的基频ω0；
步骤(1.3)对拟等效车辆薄板开展冲击变形仿真分析，爆心正对车辆薄板的几何中心，获取不同冲击波压力载荷作用下结构的残余挠度变形y0，通过数据拟合的方法建立车辆薄板的压力峰值P与残余挠度变形y0之间的数学模型；
步骤(1.4)基于等效靶的半径、厚度和材料参数建立有限元模型，对等效靶进行冲击变形仿真分析，爆心正对圆形板的圆心，获取不同冲击波压力载荷作用下等效靶的残余挠度变形ye，通过数据拟合的方法建立等效靶的压力峰值P与残余挠度变形ye之间的数学模型；
步骤(1.5)以冲击波压力峰值P为等效关系的中间量，基于车辆薄板的P与残余挠度变形y0的数学模型和等效靶的P与残余挠度变形ye的数学模型，建立车辆薄板与等效靶的残余挠度变形变形y0-ye关联模型；
可选的，所述冲击波压力载荷的幅值大小由车辆薄板和等效靶的毁伤阈值共同决定。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明提出的车辆薄板冲击波毁伤等效靶为圆形薄板结构，结构简单，加工方便，成本低廉，且设计过程考虑了车辆薄板的真实边界约束情况，具体通过基频相等来近似表征结构的边界特性，这样不仅提高了等效靶的变形等效性和稳定性，同时还降低了试验成本和实施难度。
(2)本发明的等效实验基于设计的等效靶，通过有限元仿真分析的途径获取车辆薄板与等效靶结构的变形映射关系，显著提高了车辆薄板等效靶设计的效率。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的术语、参数指标根据本领域常规认识理解或采用本领域常规方法获取。
本发明所述圆形板的厚度h从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取，且小于车辆薄板的厚度；其中所述的国家标准为相应材料板材的行业标准，相关行业标准中规定了板材的多个标准厚度。为方便选材，本发明提出在遵循本发明目的的前提下，可在相应标准中选择合适标准厚度作为圆形板的厚度。
本发明所述车辆薄板的基频通过振动模态试验或模态仿真分析(示例，有限元仿真中的模态分析模块进行仿真分析)获取，对于边界条件简单的车辆薄板，可采用仿真分析获取结构的基频，对于边界条件复杂的结构，需要通过模态试验获取结构的基频。
本发明所述的周边固支架是用于实现圆形板周边的固定及整个圆形板的支撑，其结构示例如论文“基于量纲分析的爆炸冲击波效应靶模型分析与实验研究”(李丽萍等，振动与冲击，2016.35(6))或论文“爆炸冲击薄板测量法的理论模型及应用”(沈飞等，应用力学学报，2015.32(6))中公开的结构。
本发明的等效实验中作用于车辆薄板和等效靶的冲击波压力载荷相同，所述冲击波压力载荷范围主要是根据相应结构进入塑性屈服阶段和完全破坏时对应的冲击波载荷大小(即车辆薄板的毁伤阈值和等效靶的毁伤阈值)确定，其中车辆薄板的毁伤阈值和等效靶的毁伤阈值可采用现有方法计算确定。
下面结合具体实例对本发明设计方法的可行性进行分析。
实施例1：
该实施例的拟等效车辆薄板具体为车门外板(整个车门结构包括车门外板和设在外板背面的有三块加筋板，加筋板的宽度分别为9cm、9.18cm和8cm，加强筋的厚度为2.5mm，车门外板周边薄板的厚度为4.7mm，在爆炸载荷作用下车门右侧通过两处铰链连接，左侧通过车锁约束固定)；
拟等效的车门外板宽度为0.992m，最高处的高度为1.069m，最矮处的高度为0.87m，厚度为1.5mm，，材料为Q235钢，密度ρ0为7800kg/m3，弹性模量E0为210Gpa，泊松比为0.3，屈服强度为235MPa；
通过有限元仿真计算得到车门外板在该状态下的结构基频为18.624Hz；
等效靶中圆形板的材料选用Q235，结合国家标准(标准号：GB709-88)中Q235钢板的厚度范围以及车辆薄板的厚度，等效靶薄板的厚度h拟选为0.5mm；弹性模量E0为210Gpa，密度ρ0为7800kg/m3，泊松比为0.3；通过式(c)可计算得到圆形板的半径为262mm。
实施例2：
进一步，采用实施例1的等效靶进行等效实验：
基于等效靶圆形板的参数建立等效靶的有限元模型；并建立车门外板在车门关闭状态下的有限元模型；
通过LS-DYNA对车门外板和圆形板分别进行冲击变形仿真分析，结合车门外板的易损性和周边固支圆形板结构的变形特点，设定冲击波压力载荷峰值的范围为0.15MPa～0.9MPa，仿真时的爆炸冲击波载荷通过LOAD_BLAST_ENHANCED关键字进行设定，仿真完成后分别记录车门外板和圆形板表面的最大压力和结构的最大残余挠度变形；
对车门外板的变形与冲击波压力数据进行拟合，得到变形与压力的关系：
y0＝18.6P+2.24(0.15MPa≤P≤0.9MPa) (d)
对等效靶的变形与冲击波压力数据进行拟合，得到变形与压力的关系：
ye＝10.35P+1.489(0.15MPa≤P≤0.9MPa) (e)
对式(d)和式(e)进行整理，消去压力P，得到相同冲击波压力峰值加载时车门与等效靶变形的关系为
y0＝1.797ye-0.4358(3cm≤ye≤10.8cm) (f)
在爆炸威力场中用周边固支架支撑圆形板，圆形板圆心与车门外板的几何中心重合，由圆形板的变形采用式(f)获取等载荷条件下车门结构的残余变形，从而实现车门结构的变形等效。
为了验证上述等效实验方法的可行性，在上述有限元模型的基础上，分别对车门薄板结构和等效靶结构进行仿真分析，将200kg当量的球形TNT炸药分别放置于车门薄板和等效靶结构的中垂线上，爆心正对距车门薄板和等效靶的几何中心且炸药放置位点距离车门薄板和等效靶表面16m，基于有限元仿真计算得到车门结构的最大残余挠度变形y0为7.02cm,等效靶的最大残余挠度变形ye为4.33cm；
将计算得到等效靶结构的最大残余挠度变形ye代入式(f),可以计算得到车门结构的最大残余挠度变形为7.345cm，与车门真实的变形误差仅为4.63％。
可见，本发明提出的基于基频相等的车辆薄板冲击波毁伤等效靶设计方法具有可行性，且等效结构的几何尺寸相比原型结构明显缩减，周边固支边界的施加方式简单，等效靶标具备批量生产的条件，可明显降低试验的成本，提高靶标变形的稳定性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (5)
1.车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于，方法包括：
(1)采用有限元方法对拟等效车辆薄板和车辆薄板冲击波毁伤等效靶进行冲击变形仿真分析，建立不同冲击波压力载荷作用下，拟等效车辆薄板的残余挠度变形y0与车辆薄板冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形ye的关联模型；
所述车辆薄板冲击波毁伤等效靶包括圆形板，所述圆形板的材料与车辆薄板的材料相同，或者圆形板材料的静态屈服强度为车辆薄板的材料屈服强度的90％-110％；
所述圆形板的厚度h小于车辆薄板的厚度；
所述圆形板的半径R根据公式c确定；
式c中：ωe取车辆薄板的基频，E为圆形板材料的弹性模量，ρ为圆形板材料的密度，μ为圆形板材料的泊松比；
所述车辆薄板冲击波毁伤等效靶还包括周边固支架，所述圆形板安装在周边固支架上，且所述圆形板的圆心与所述车辆薄板的几何中心重合；
(2)采用车辆薄板冲击波毁伤等效靶进行冲击波毁伤实验，爆心正对圆形板的圆心，获取车辆薄板冲击波毁伤等效靶在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；
(3)利用步骤(1)确定的关联模型和步骤(2)得到的残余挠度变形获取拟等效车辆薄板在在不同冲击波压力载荷作用下的残余挠度变形；
所述步骤(1)包括：
步骤(1.1)测量拟等效车辆薄板的几何尺寸，确定边界约束条件和材料参数，建立拟等效车辆薄板有限元仿真模型；
步骤(1.2)采用振动模态实验或模态仿真分析获取拟等效车辆薄板的基频ω0；
步骤(1.3)对拟等效车辆薄板进行冲击变形仿真分析，爆心正对拟等效车辆薄板的几何中心，获取不同冲击波压力载荷作用下拟等效车辆薄板的残余挠度变形y0，通过数据拟合的方法建立车辆薄板的压力峰值P与残余挠度变形y0之间的数学模型；
步骤(1.4)基于车辆薄板冲击波毁伤等效靶的半径、厚度和材料参数建立有限元模型，对车辆薄板冲击波毁伤等效靶进行冲击变形仿真分析，爆心正对圆形板的圆心，获取不同冲击波压力载荷作用下车辆薄板冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形ye，通过数据拟合的方法建立车辆薄板冲击波毁伤等效靶的压力峰值P与残余挠度变形ye之间的数学模型；
步骤(1.5)以冲击波压力峰值P为中间量，基于拟等效车辆薄板的压力峰值P与残余挠度变形y0的数学模型和车辆薄板冲击波毁伤等效靶的压力峰值P与残余挠度变形ye的数学模型，建立拟等效车辆薄板的残余挠度变形y0与车辆薄板冲击波毁伤等效靶的残余挠度变形ye的关联模型。
2.根据权利要求1所述的车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述圆形板的材料选用铝合金或钢材。
3.根据权利要求1所述的车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述圆形板的厚度从国家标准中对应材料薄板的厚度中选取。
4.根据权利要求1所述的车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述拟等效车辆薄板的基频通过振动模态试验或模态仿真分析获取。
5.根据权利要求1所述的车辆薄板冲击波毁伤等效实验方法，其特征在于：所述冲击波压力载荷的幅值大小由拟等效车辆薄板和车辆薄板冲击波毁伤等效靶的毁伤阈值共同决定。
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