CN113239589A - 一种获取金属材料v50的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取金属材料V50的数值模拟方法，实现了利用数值模拟方法准确获取材料V50，节约了试验成本、提高了获取V50的效率，包括如下步骤：对弹体和靶体分别构建有限元模型；所述靶体材料为试验金属材料。选取弹体和靶体的接触算法，并设置接触类型。选择弹体和靶体材料的本构模型。选择描述弹体和靶体材料的状态方程。为所述弹体施加设定的初速度载荷，将弹体和靶体的有限元模型、接触算法、接触类型、本构模型求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型、弹体和靶体材料的本构模型、弹体和靶体材料的状态方程，以及设定的初速度载荷，全部提交至数值模拟软件中进行求解计算。调试弹体的初始速度载荷，获取试验金属材料V50。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种获取金属材料V50的数值模拟方法。
背景技术
弹道极限速度V50作为材料防护性能的重要表征参量，在军用和警用防护材料中得到了广泛的应用。所谓弹道极限速度V50是指子弹侵彻被测样品贯穿概率为50％时的入射速度，是对样品抗弹性能定量化表征的重要参量，它确定了被测材料的“基准”抗弹能力，是防护材料安全评估的基准参考值，V50的测定被广泛用于防护产品的研制和结构设计。
目前，关于弹道极限速度V50的测试方法主要是试验获取，具体试验获取方法有六发评定法，即在有效命中射击中，若试样的混合速度差小于等于38m/s，则取不少于三发最高阻断速度和三发最低穿透速度结果相反、速度对等的至少六发测点弹速，并取算术平均值，对算术平均值进行修正即可得到V50值。除了六发评定法还有十发评定法以及多发评定法。不难看出传统试验方法不仅成本高、效率较低，往往一个靶体只能进行一发试验，并且弹体入射速度、入射角度难以精确控制，这进一步给弹道极限速度V50的获取增加了难度。
随着计算机软、硬件技术的飞速发展，数值模拟这一技术逐渐出现在各界人士眼中，数值模拟这一技术的出现给工程分析、科学研究带来了突破性的变化。数值模拟方法由于具有成本较低、操作简单、可信度高等优点，被广泛应用于各领域。
目前尚未有一种使用数值模拟方法进行金属材料V50的获取的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种获取金属材料V50的数值模拟方法，能够利用数值模拟软件，通过选择合适的本构模型、状态方程、接触算法等，并输入精确的相关参量，实现了利用数值模拟方法准确获取材料V50，节约了试验成本、提高了获取V50的效率，不但快捷而且计算结果更为直观。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种获取金属材料V50的数值模拟方法，包括如下步骤：
对弹体和靶体分别构建有限元模型；靶体材料为试验金属材料。
选取弹体和靶体的接触算法，并设置接触类型。
选择弹体和靶体材料的本构模型。
选择描述弹体和靶体材料的状态方程。
为弹体施加设定的初速度载荷，将弹体和靶体的有限元模型、接触算法、接触类型、本构模型求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型、弹体和靶体材料的本构模型、弹体和靶体材料的状态方程，以及设定的初速度载荷，全部提交至数值模拟软件中进行求解计算。
调试弹体的初始速度载荷，获取试验金属材料V50。
进一步地，数值模拟软件为ANSYS/LS-DYNA。
进一步地，试验金属材料V50的标准是：
弹体侵彻靶体之后，残余弹体的1/2露出靶体背面，并且此时弹体剩余速度为0，则规定弹体的初始速度为该规格弹体作用下试验金属材料V50。
进一步地，对弹体和靶体分别构建有限元模型，具体为：
根据弹体几何尺寸和质量、靶体几何尺寸和质量，以及弹体和靶体的侵彻作用时间，其中几何尺寸选择单位为厘米cm，质量选择单位为克g，侵彻作用时间为微秒μs。
根据弹体和靶体的实体几何结构和速度载荷的对称性，采用四分之一建模的方法进行几何建模，获得弹体的三维几何模型和靶体的三维几何模型。
分别对弹体的三维几何模型和靶体的三维几何模型进行网格划分，获得各个网格单元。
在模型对称面上设置对称约束，建立有限元模型。
进一步地，选取弹体和靶体的接触算法，并设置接触类型，具体为：采用对称罚函数法计算弹体与靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触。
进一步地，选择弹体和靶体材料的本构模型，具体为：
弹体和靶体材料的本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，其本构模型表达式如下：
其中
式中:σp为Von Mises等效应力；T*为无量纲单位；T为当前温度；Troom为参考温度；Tmelt为材料熔化温度；
为无量纲应变率；εp为等效塑性应变；
为等效应变率；
为参考应变率；A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B为材料在参考应变率和参考温度下的应变硬化系数；N为材料在参考应变率和参考温度下的应变硬化指数；C为材料应变率敏感系数；m为材料温度软化指数。
材料的失效由累计损伤决定，累计损伤表达式如下：
其中:εf＝[D1+D2(expD3σ*)][1+D4lnε*][1+D5T*]
式中:D为损伤参数，Δε为单个时间步中的塑性应变增量，εf为此状态下的失效应变，D1-D5为材料失效参数，σ*为应力三轴度。
进一步地，选择描述弹体和靶体材料的状态方程，具体为：表达式为：
式中：p为材料压力；E为材料单位体积的内能；ρ0为材料在非应力、非变形状态下的参考密度；C是材料vs-vp曲线的截距；S1，S2和S3是关于材料vs-vp曲线斜率的无量纲系数；γ0为无量纲的GRUNEISEN系数；a是对γ0的一阶体积修正无量纲系数；
μ为体积参数；ρ为材料当前密度。
进一步地，调试弹体的初始速度载荷，获取试验金属材料V50，具体为：
改变弹体初始速度载荷，观测不同初始速度载荷下被测靶体的损伤情况以及弹体的剩余速度变化和残余情况，直到出现弹体残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，那么此时的弹体初始入射速度就是V50。
有益效果：
1.本发明提供了一种获取金属材料V50的数值模拟方法，先通过有限元数值模拟软件建立材料的几何模型，之后对模型进行网格划分、设置约束，选择合适的接触类型、本构模型以及状态方程并输入相关准确参数，最后给弹体施加一定的初始速度载荷并进行求解计算。同时提出了数值模拟方法中金属材料V50的判据，将数值模拟结果与V50判据进行对比，得到了金属材料V50。
2.本发明提供了一种获取金属材料V50的数值模拟方法，方法成本较低、方便快捷、模拟结果与试验结果吻合较好，可信度高。
附图说明
图1为本发明提供的获取金属材料V50的数值模拟方法流程图；
图2为实施例1中弹体的历史速度曲线，其V50值为1261m/s；
图3为实施例2中弹体的历史速度曲线，其V50值为992m/s；
图4为实施例3中弹体的历史速度曲线，其V50值为659m/s。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的目的由以下技术方案实现：
(1)建立有限元模型。先确定分析中的单位制采用克-厘米-微秒单位制，并根据弹、靶的实体几何尺寸建立几何模型，同时考虑到几何模型的对称性以及求解运算的效率，几何模型采用1/4对称建模，该建模方式在保证结果可靠性的同时还能减少运算量从而提高计算效率。其次对建好的几何模型进行网格划分，获得网格划分单元，为了保证计算结果的准确性，对被测靶体进行网格划分时，其中心着弹区域附近的网格密集程度应大于边缘的网格密集程度。最后在模型对称面上设置对称约束，完成有限元模型的建立。
(2)选择接触算法，设置接触类型。采用对称罚函数法计算弹体对靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触。
(3)选择弹体、靶体材料的本构模型。金属弹体、靶体材料本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，选择之后输入相关的本构参数。
(4)选择描述弹体、靶体材料的状态方程。金属弹体、金属靶体材料的状态方程均选择GRUNEISEN状态方程，选择之后输入相关的状态方程参数。
(5)施加速度载荷，求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型、材料本构模型、状态方程参数以及其他相关设置后，给弹体施加一定的初速度载荷，提交至求解器进行求解计算。
(6)调试弹体初始速度载荷，获取V50。在步骤(5)中确保计算过程完整可靠后，改变弹体初始速度，观测不同初始速度下被测靶体的损伤情况以及弹体的剩余速度变化和残余情况，直到出现弹体残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，那么此时的弹体初始入射速度就是V50。
以圆柱形45钢弹体入射45钢靶体为例。圆柱形45钢弹体尺寸分别为
靶体尺寸固定不变：长120mm、宽120mm、厚10mm。45钢Johnson-Cook本构模型参数如表1所示。45钢GRUNEISEN状态方程参数如表2所示。
表1 45钢Johnson-Cook本构模型参数
| 参数 | A/MPa | B/MPa | n | C | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
| 数值 | 507 | 320 | 0.28 | 0.064 | 1.06 | 0.1 | 0.76 | 1.57 | 0.05 | -0.84 |
表2 45钢GRUNEISEN状态方程参数
| 参数 | C | S1 | S2 | S3 | γ0 | a |
| 数值 | 0.46 | 1.33 | 0 | 0 | 1.67 | 0.43 |
实施例1
一种获取金属材料V50的数值模拟方法，方法步骤如下：
(1)以45钢弹体材料、45钢靶体材料为例。圆柱形弹体尺寸为
靶体尺寸为：长120mm、宽120mm、高10mm。根据实际弹、靶材料尺寸，建立1/4几何模型，之后对几何模型进行网格划分，获得网格划分单元，最后在弹、靶模型对称面上设置对称约束，完成有限元模型的建立。
(2)选择接触算法，设置接触类型。采用对称罚函数法计算弹体与靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO SURFACE)。
(3)选择弹体、靶体材料的本构模型。金属弹体、靶体材料本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，45钢Johnson-Cook本构模型参数如表1所示。
(4)选择弹体、靶体材料的状态方程。金属弹体、金属靶体材料的状态方程均选择GRUNEISEN状态方程，45钢GRUNEISEN状态方程参数如表2所示。
(5)施加速度载荷，求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型、材料本构模型、状态方程参数以及其他相关设置后，给弹体施加一定的初速度载荷，提交至求解器进行求解计算。
(6)调试弹体初始速度载荷，获取V50。改变弹体初始速度，观测不同初始速度弹体作用下靶体的损伤情况以及弹体剩余速度变化和残余情况，直到出现残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，此时的弹体初始入射速度就是V50。即对于尺寸为
的圆柱形45钢弹体，长120mm、宽120mm、厚10mm的45钢靶体，其弹道极限速度V50为1261m/s。
图2为实施例1中弹体的历史速度曲线，其V50值为1261m/s。
实施例2
一种获取金属材料V50的数值模拟方法，方法步骤如下：
(1)以45钢弹体材料、45钢靶体材料为例。圆柱形弹体尺寸为
靶体尺寸为：长120mm、宽120mm、高10mm。根据实际弹、靶材料几何尺寸，建立1/4几何模型，之后对几何模型进行网格划分，获得网格划分单元，最后在弹、靶模型对称面上设置对称约束，完成有限元模型的建立。
(2)选择接触算法，设置接触类型。采用对称罚函数法计算弹体与靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO SURFACE)。
(3)选择弹体、靶体材料的本构模型。金属弹体、靶体材料本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，45钢Johnson-Cook本构模型参数如表1所示。
(4)选择描述弹体、靶体材料的状态方程。金属弹体、金属靶体材料的状态方程均选择GRUNEISEN状态方程，45钢GRUNEISEN状态方程参数如表2所示。
(5)施加速度载荷，求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型以及材料本构模型、状态方程参数以及其他相关设置后，给弹体施加一定的初速度载荷，提交至求解器进行求解计算。
(6)调试弹体初始速度载荷，获取V50。改变弹体初始速度，观测不同初速度弹体作用下靶体的损伤情况以及弹体剩余速度变化和残余情况，直到出现残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，此时的弹体初始入射速度就是V50。即对于尺寸为
的圆柱形45钢弹体，长120mm、宽120mm、厚10mm的45钢靶体，其弹道极限速度V50为992m/s。图3为实施例2中弹体的历史速度曲线，其V50值为992m/s。
实施例3
一种获取金属材料V50的数值模拟方法，方法步骤如下：
(1)以45钢弹体材料、45钢靶体材料为例。圆柱形弹体尺寸为
靶体尺寸为：长120mm、宽120mm、高10mm。根据实际弹、靶材料几何尺寸，建立1/4几何模型，之后对几何模型进行网格划分，获得网格划分单元，最后在弹、靶模型对称面上设置对称约束，完成有限元模型的建立。
(2)选择接触算法，设置接触类型。采用对称罚函数法计算弹体与靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO SURFACE)。
(3)选择弹体、靶体材料的本构模型。金属弹体、靶体材料本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，45钢Johnson-Cook本构模型参数如表1所示。
(4)选择描述弹体、靶体材料的状态方程。金属弹体、金属靶体材料的状态方程均选择GRUNEISEN状态方程，45钢GRUNEISEN状态方程参数如表2所示。
(5)施加速度载荷，求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型以及材料本构模型、状态方程参数以及其他相关设置后，给弹体施加一定的初速度载荷，提交至求解器进行求解计算。
(6)调试弹体初始速度载荷，获取V50。改变弹体初始速度，观测不同初速度弹体作用下靶体的损伤情况以及弹体剩余速度变化和残余情况，直到出现残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，此时的弹体初始入射速度就是V50。即对于尺寸为
的圆柱形45钢弹体，长120mm、宽120mm、厚10mm的45钢靶体，其弹道极限速度V50为659m/s。图4为实施例3中弹体的历史速度曲线，其V50值为659m/s。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
对弹体和靶体分别构建有限元模型；所述靶体材料为试验金属材料；
选取弹体和靶体的接触算法，并设置接触类型；
选择弹体和靶体材料的本构模型；
选择描述弹体和靶体材料的状态方程；
为所述弹体施加设定的初速度载荷，将弹体和靶体的有限元模型、接触算法、接触类型、本构模型求解。在建立好有限元模型，设置好模型对称约束、接触类型、弹体和靶体材料的本构模型、弹体和靶体材料的状态方程，以及设定的初速度载荷，全部提交至数值模拟软件中进行求解计算；
调试弹体的初始速度载荷，获取试验金属材料V50。
2.根据权利要求1中所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于：所述数值模拟软件为ANSYS/LS-DYNA。
3.根据权利要求1或2中所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述试验金属材料V50的标准是：
弹体侵彻靶体之后，残余弹体的1/2露出靶体背面，并且此时弹体剩余速度为0，则规定弹体的初始速度为该规格弹体作用下试验金属材料V50。
4.根据权利要求1所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述对弹体和靶体分别构建有限元模型，具体为：
根据弹体几何尺寸和质量、靶体几何尺寸和质量，以及弹体和靶体的侵彻作用时间，其中几何尺寸选择单位为厘米cm，质量选择单位为克g，侵彻作用时间为微秒μs；
根据弹体和靶体的实体几何结构和速度载荷的对称性，采用四分之一建模的方法进行几何建模，获得弹体的三维几何模型和靶体的三维几何模型；
分别对弹体的三维几何模型和靶体的三维几何模型进行网格划分，获得各个网格单元；
在模型对称面上设置对称约束，建立有限元模型。
5.如权利要求4所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述选取弹体和靶体的接触算法，并设置接触类型，具体为：
采用对称罚函数法计算弹体与靶体的侵彻过程，接触类型选择面-面侵蚀接触。
6.如权利要求1所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述选择弹体和靶体材料的本构模型，具体为：
弹体和靶体材料的本构模型均选择Johnson-Cook本构模型，其本构模型表达式如下：
其中
式中:σp为Von Mises等效应力；T*为无量纲单位；T为当前温度；Troom为参考温度；Tmelt为材料熔化温度；
为无量纲应变率；εp为等效塑性应变；
为等效应变率；
为参考应变率；A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B为材料在参考应变率和参考温度下的应变硬化系数；N为材料在参考应变率和参考温度下的应变硬化指数；C为材料应变率敏感系数；m为材料温度软化指数；
材料的失效由累计损伤决定，累计损伤表达式如下：
其中:εf＝[D1+D2(expD3σ*)][1+D4lnε*][1+D5T*]
式中:D为损伤参数，Δε为单个时间步中的塑性应变增量，εf为此状态下的失效应变,，D1-D5为材料失效参数，σ*为应力三轴度。
7.如权利要求6所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述选择描述弹体和靶体材料的状态方程，具体为：表达式为：
式中：p为材料压力；E为材料单位体积的内能；ρ0为材料在非应力、非变形状态下的参考密度；C是材料vs-vp曲线的截距；S1，S2和S3是关于材料vs-vp曲线斜率的无量纲系数；γ0为无量纲的GRUNEISEN系数；a是对γ0的一阶体积修正无量纲系数；
μ为体积参数；ρ为材料当前密度。
8.如权利要求7所述的一种获取金属材料V50的数值模拟方法，其特征在于，所述调试弹体的初始速度载荷，获取试验金属材料V50，具体为：
改变弹体初始速度载荷，观测不同初始速度载荷下被测靶体的损伤情况以及弹体的剩余速度变化和残余情况，直到出现弹体残余弹体的1/2露出靶体背面并且此时弹体剩余速度为0，那么此时的弹体初始入射速度就是V50。
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2021
- 2021-05-13 CN CN202110524224.2A patent/CN113239589A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109960875A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-07-02 | 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护研究所 | 一种弹体侵彻金属/块石复合材料靶板的数值模拟方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 周卿,黄松,赵鹏铎: "平头破片侵彻中厚Q235靶板的破坏模式研究", 《兵器装备工程学报》 * |
| 王玉华,黄凯明: "基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真", 《计算机测量与控制》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114861508A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-05 | 中国飞机强度研究所 | 一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法 |
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Legal Events
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