1、引言

在軍事應用和民用防護中，穿甲問題扮演著重要角色，其中平頭彈穿甲金屬板問題十分具有代表性。穿甲實驗是是研究這類問題最重要、最基本的研究方法，但成本高，理論分析有一定的適用范圍，而數值模擬技術以其在經濟性和效益性方面的優勢，日益成為研究穿甲問題不可或缺的研究手段。隨著實驗技術的提高、計算機的發展和相關理論的提出，平頭彈對單層靶破壞模式得到了較充分的認識。近年來，雙層靶的穿甲破壞模式研究受到廣泛關注，但還遠不及單層靶，對雙層靶研究的深度和寬度也很有限。目前主要手段為實驗研究和數值模擬，缺乏失效模式的理論模型。雙層靶板結構形式分為接觸式和間隙式，本文將通過ANSYS/LS-DYNA來論證平頭彈穿透間隙式雙層靶的失效模式。

2、有限元分析

2.1 彈靶材料本構模型

在數值模擬中，靶板采用采用Johnson-Cook（JC）強度模型和累積損傷失效模型來描述靶材的力學性能，JC本構模型常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態行為，該模型利用變量乘積關系分別描述應變、應變率、溫度和損傷因子的影響，具體形式為：  

式中參數具體含義請自查文獻，本文不加贅述。

在本文數值模擬中，靶板采用Johnson-Cook（JC）強度模型和累積損傷失效模型來描述靶材的力學性能，彈體材料模型服從Von Mise屈服準側，采用雙線等向強化模型。本文中靶板材料的具體數值如下圖所示：

為簡化計算，彈體材料模型選用LS-DYNA中的20號剛體材料本構模型。

2.2彈靶有限元模型

本文所采用雙層靶的有限元模型如下圖所示，靶體直徑為100，每層的厚度為0.5，層間間隙為2.3；彈體為圓柱形，直徑為2.8，彈長4。彈體和靶板網格均用Lagrange映射網格方法劃分為六面體單元，為提高計算精度，在靶體圓心處（即彈體沖擊位置）及附近區域的網格進行加密。

2.3 其他求解條件設置

求解之前，需要設置模型的邊界條件、沖擊速度等，具體內容參考下圖。

由于本模型為對稱模型，計算中可進一步簡化為1/4模型進行計算，在對稱邊界上施加對稱約束，在靶板邊界處施加非反射邊界，以此來模擬無限大靶板。

彈靶之間采用如下圖所示的三維面對面侵蝕接觸算法

除此之外，還要設置模型的終止計算時間以及結果輸出的時間間隔。

模型設置完成之后即可導出K文件，并利用ANSYS中的LS-DYNA求解器進行求解。

3、數值結果分析

以上為雙層靶板受平彈沖擊后米塞斯應力隨時間的變化展示。可以看出，頂層靶板首先被彈體沖擊發生擊穿現象，應力響應隨時間向周圍擴展，并且與平彈底部接觸的靶板單元發生整體脫落進而作用到底層靶板，底層靶板首先因受到脫落碎屑的沖擊而產生應力，但是這種沖擊載荷較小未使靶板失效，隨后平彈的繼續沖擊作用于底層靶板，最終導致靶板發生擊穿。本模型能夠較為準確地模擬出平彈沖擊靶板的真實效果，能夠為相關內容提供思路和參考。