自由圆管经受横向撞击时的动力响应的实验研究和计算机仿真

【摘要】： 本文主要对自由圆管在其中心部位经受刚性、平头弹体侧向冲击时的动力学行为进行了实验研究和计算机仿真。研究了不同管径、管长以及不同材质的自由圆管在不同直径、质量的平头弹体的侧向冲击下的变形历程、最终的变形模态以及能量的分配方式，并得到了穿透时的临界速度。 在实验方面，本文采用了两种不同直径和材质的薄壁管试件以及三种长度相同，直径不同的平头弹体，设计了两大类六种工况下的实验。从实验中可以观察到：管的整体残余变形为“V”形，在一定条件下，还可能为“W”形；有明显的局部凹陷，可以得到穿透时的临界速度，其穿透破坏形式为冲塞型。 在计算机仿真方面，利用大型有限元程序LS-DYNA对实验中的六种工况分别进行了数值模拟。把模拟结果与实验结果作了比较分析。同时，也得到了一些实验中没有观察到的现象：从模拟的管梁的变形历程可以看出，在冲击瞬时，管梁先发生局部凹陷，随着局部凹陷的加大，管梁的抗弯刚度减小，然后 太原理工大学硕士学位论文 刚体平动和整体变形发生，而且速度越大，这种现象越明显; 子弹的入射动能在撞击过程中急剧减小，撞击结束后减小到可 以忽略不计。减少的子弹动能在撞击后转化为管梁的内能(整 体弯曲变形能和局部凹陷变形能，在冲塞时还有剪切变形能) 和刚体平动动能。其中管梁内能占到80%以上，而刚体平动动 能在总耗能中所占的比例不到20%，这和自由梁的能量分配形 式恰恰相反。主要是由于局部凹陷在冲击瞬时就消耗了大量能 量的缘故。 概括起来，当受到子弹的对心侧向正冲击时，自由管的变 形历程、变形模态、局部破坏形式以及能量分配方式和自由梁 以及有支撑的圆柱壳有很大的不同。其主要影响因素有管的材 料性质、径厚比、长径比以及子弹和管的弹径比。当管的屈服 极限较低而强度极限较高、径厚比较小、长径比和弹径比较大 时，自由管的变形历程、变形模态以及局部破坏形式和自由梁 越接近;当管的屈服极限较高而强度极限相对较低、径厚比和 长径比较大、弹径比较小时，自由管的变形历程、变形模态、 局部破坏形式以及能量分配方式和有支撑的圆柱壳越接近。