剛性彈丸對板材的侵徹分析（ABAQUS 6.16幫助文檔第2.1.3節）
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關鍵詞：沖擊 失效模型 無限元 Abacus/Explicit
傳送門：第2.1.4節 彈丸沖擊侵徹平板
本示例模擬了剛性球形彈丸以1000米/秒的速度斜向沖擊裝甲平板。該板應用了失效模型，從而允許彈丸穿透板。本示例涉及沖擊、漸進破壞和無限元的使用。
一、問題描述
裝甲板的厚度為10 mm，與彈丸相比，板的尺寸假定為半無限大，通過在板的周邊使用CIN3D8無限元來實現。該板包括4480個C3D8R單元。裝甲板材料的楊氏模量為206.8GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，屈服應力為1220MPa，硬化斜率恒定為1220MPa。材料應用漸進失效模型（progressive failure model），從而Abaqus/Explicit將刪除發生失效的網格單元。假設失效發生在100%的等效塑性應變下，此時網格單元將被立即刪除。（失效應變的值是隨意選擇的，并不模擬任何特定材料。）
球體（彈丸）的直徑為20mm，假設為剛性，其為均一材質，密度為37240 kg/m3。假設球體和板之間沒有摩擦，由此模型中無需設置球體的轉動慣量。
通過施加邊界條件來約束球體在y方向上的運動。測試了兩種球面建模方法：（1）使用解析剛性表面和使用R3D4剛性單元。就精度和計算性能方面而言，解析剛性表面是表達簡單剛性幾何形狀的首選方法。然而，在實踐中出現的更復雜的三維表面幾何形狀必須使用由網格單元形成的表面進行表達。對C3D8R單元的截面控制規則進行修改。對于該問題建議使用centroid kinematic formulation以及線性組合的剛度和粘性沙漏控制。還給出了其他運動學規則和沙漏控制的組合示例，以供對比。
在x–z平面中設置適當的對稱邊界條件，對裝甲板僅截取一半進行建模即可。模型如圖2.1.3–1所示。為了方便查看，對整個球體（彈丸）進行了建模。模型中共有17094個自由度。
由于板的網格單元將會逐漸失效并從模型中刪除，板內部的網格節點將暴露而與剛性球體（彈丸）的表面接觸。因此，必須在球體表面（定義為基于網格單元的面【element-based surface】）和包含板中位于碰撞點半徑20mm范圍內的所有節點的表面（定義為基于網格節點的面【node-based surface】）之間建立接觸關系（contact）。（參見“Eroding projectile impacting eroding plate,”?Section 2.1.4，以了解基于網格單元的面用于模擬侵蝕的示例），首選地，在inp文件中，通過“接觸對”（contact pairs）來建立球體表面與其他節點集之間的接觸關系。此外，還給出了使用“通用接觸算法”建立接觸關系的inp文件。
二、結論
球形彈丸以1000米/秒的速度、從與平板法線呈30°角的方向沖擊平板。不同階段的變形情況如圖2.1.3–2至圖2.1.3–4所示，其中截面控制選項采用了centroid kinematic 和combined (viscous-stiffness form) hourglass （參考分析例pl3d_erode_ccs.inp）。在沖擊分析的早期，如圖2.1.3–2所示，板表面相對少量的材料已被侵蝕，板正在發生變形。在圖2.1.3–3中，板已穿孔，但彈丸仍與孔邊緣存在接觸。在圖2.1.3–4中，彈丸已經遠離板，并以恒定速度運動。圖2.1.3–5和圖2.1.3–6顯示了彈丸速度的變化過程（不同曲線對應了不同的截面控制規則，參考表2.1.3–1 ）。其中采用不同的截面控制規則所得出的分析結果高度一致。
在圖2.1.3-2至圖2.1.3-4中，通過Abaqus/CAE顯示設置，僅顯示了有效網格單元，而移除了失效單元的相應顯示。
Table 2.1.3–1 不同截面控制規則的分析結果比較
圖 2.1.3–1 未變形網格單元
圖 2.1.3–2 在10微秒時的變形情況 (網格單元控制選項為 centroid kinematic 和 combined hourglass )
圖 2.1.3–3 在30微秒時的變形情況 (網格單元控制選項為 centroid kinematic 和 combined hourglass )
圖 2.1.3–4 在40微秒時的變形情況 (網格單元控制選項為 centroid kinematic 和 combined hourglass ).
圖 2.1.3–5 彈丸速度的垂直分量
圖 2.1.3–6 彈丸速度的水平分量.
三、inp 文件：（右鍵超鏈接，選擇另存為可直接下載相應inp文件）
Model using the CENTROID kinematic and COMBINED hourglass section control options.
Model using the CENTROID kinematic and COMBINED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using the CENTROID kinematic and ENHANCED hourglass section control options.
Model using the CENTROID kinematic and ENHANCED hourglass section control options and the general contact capability.
External file referenced in this input.
External file referenced in this input.
Model using the default section controls.
Model using the default section controls and the general contact capability.
Model using the default section controls and the *ADAPTIVE MESH option.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and COMBINED hourglass section control options.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and COMBINED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and ENHANCED hourglass section control options.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and ENHANCED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using an analytical rigid surface and the default section controls.
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