ABAQUS、子彈侵徹的案例
LS-DYNA侵徹分析—子彈穿靶模型
侵徹是可以運用LS-DYNA軟件進行分析的一類典型非線性動力問題，在實際工程中有廣泛的運用。本文以一顆子彈擊穿雙層鋼板的動力問題分析為例介紹侵徹分析的實現(xiàn)方法。以workbench17.0版本為前處理工具，建立分析模型并導出K文件，對導出的K文件做必要的修改，然后提交給LS-DYNA求解器進行求解，最后在LS-PrePost中對分析結(jié)果進行相關(guān)后處理。
1、問題描述
直徑15mm、長45mm的子彈以1000m/s的初始速度垂直射向兩層鋼板，鋼板尺寸均為150mmX150mm，厚度均為8mm，鋼板間距為55mm，具體尺寸詳下圖1所示：
圖1 子彈及鋼板幾何尺寸（單位：mm）
2、建立分析模型
首先，在Workbench中創(chuàng)建一個Explicit Dynamics(LS-DYNA Export)項目，如下圖2所示：
圖2 顯示動力學分析系統(tǒng)
雙擊A2 Engineering Data單元格，進入材料編輯截面，選擇Explicit Materials材料分組，選擇STEEL 1006型鋼材，該類型的鋼采用Johnson Cook模型定義材料的強度，Johnson Cook模型適用于高應(yīng)變率材料行為，對于子彈擊穿鋼板問題采用該模型是合適的。
展開 基于ANSYS WorkbehcnLS-DYNA和Explicit Dynamics侵徹分析子彈穿靶 ￥4
侵徹是可以運用LS-DYNA和Explicit Dynamics軟件進行分析的一類典型非線性動力問題，在實際工程中有廣泛的運用。本文以一顆子彈擊穿雙層鋼板的動力問題分析為例介紹侵徹分析的實現(xiàn)方法。以workbench9.0版本基礎(chǔ)，調(diào)用LS-dyna模塊和Explicit Dynamics模塊進行計算并對結(jié)果進行比較。
1、問題描述
直徑15mm、長45mm的子彈以1000m/s的初始 n速度垂直射向兩層鋼板，鋼板尺寸均150mmX150mm，厚度均為8mm，鋼板間距為55mm，具體尺寸詳下圖1所示：
圖1 子彈及鋼板幾何尺寸（單位：mm）
建立模型
選擇Explicit Materials材料分組，選擇STEEL 1006型鋼材，該類型的鋼采用Johnson Cook模型定義材料的強度，Johnson Cook模型適用于高應(yīng)變率材料行為，對于子彈擊穿鋼板問題采用該模型是合適的。另外，子彈穿靶過程中伴隨著部分材料失效的行為，因此還需要添加材料失效模型，Workbench中提供多種材料失效模型，在這里我們選擇Johnson Cook失效模型。
分別建立兩組模型，一個了子彈穿透一塊鋼板，另一組是子彈穿透兩塊鋼板。
第一組分析，先抑制住第二塊板，鋼板材料選擇成STEEL 1006，子彈選擇成rigid。顯式分析，單元為一階單元。鋼板層數(shù)一般要大于兩層，以防止沙漏現(xiàn)象。體與體的接觸選擇成frictional接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置0.15，動力摩擦系數(shù)設(shè)置0.1。當然也可以由于模型的對稱性，建立1/4模型進行計算。本案例是全模型。仿真時間為6e-5s。初始速度的添加必須在是initial condition下添加進行初始速度添加，而不是在求解里添加強制速度，這個要重視。速度為1e6mm/s。這里的單位制是mms。鋼板四周固定約束。
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Abaqus彈芯侵徹仿真（彈芯剛體）
彈芯材料參數(shù)：
數(shù)值模擬結(jié)果分析
彈芯侵徹過程見圖3所示
彈芯速度時程曲線見圖4所示，初始速度為770m/s，侵徹后剩余速度為608m/s。
侵徹彈孔圖片見圖5所示。
基于abaqus利用SPH方法進行侵徹模擬
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【Abaqus爆炸】 CEL方法分析彈頭侵徹爆破 ￥99
<h2 class="ql-align-center"><strong>0.引言</strong></h2><p>Abaqus作為綜合性有限元軟件，其功能強大不言而喻，然而在軍工領(lǐng)域用abaqus模擬各類沖擊爆炸毀傷比較少見，可能是因為abaqus更適合做高度非線性熱、力學分析。而爆炸類問題，AUTODYN或LS-DYNA可以模擬一維到三維的各類問題，同時擁有豐富的材料庫；但是對于習慣abaqus的用戶，再去安裝學習AUTODYN或LS-DYNA比較費時間。之前別人做過各類射流、水下爆炸等問題，今天給大家?guī)砹藦楊^侵徹爆破的算例。</p><p><strong>模型概述</strong>：彈頭以500m/s撞擊靶板，其中PBX裝藥采用JWL狀態(tài)方程描述，設(shè)置延時起爆及起爆點，同時為了呈現(xiàn)爆炸產(chǎn)物的作用，保留產(chǎn)物不刪除。為了方便起見，彈頭和靶板采用相同材料，材料參數(shù)來自abaqus幫助文檔。模型分為15mm的單層靶板和5m三層靶板侵徹爆炸過程，如下圖所示：</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202104/2f88199b7f5b4f3187e16be8f40996ea.png" title="exp3.png" alt="exp3.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202104/2f88199b7f5b4f3187e16be8f40996ea.png?
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【Abaqus爆炸】 SPH方法分析彈頭侵徹爆破 ￥69
</span></h2><p>前段時間分享了用Abaqus CEL方法分析侵徹爆破問題，詳情見：</p><p><br></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-link" data-title="【Abaqus爆炸】 CEL方法分析彈頭侵徹爆破" data-link="https://www.yqgqt.org.cn/post/1790179" data-regular="true">
<a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1790179" target="_blank">
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<span class="link-title">【Abaqus爆炸】 CEL方法分析彈頭侵徹爆破</span>
<div class="link-url">
https://www.yqgqt.org.cn/post/1790179
</div>
</div></a>
</figure>
</div><p>然而有人反饋說歐拉區(qū)域填充比較麻煩，而且網(wǎng)格尺寸非常影響材料填充精度。另外，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，仍要求網(wǎng)格是六面體網(wǎng)格；也不支持質(zhì)量縮放（歐拉單元），這可能是CEL方法的不足。實際上上述侵徹爆破問題可以用SPH方法進行分析，而且SPH方法可以跟普通的拉格朗日單元分析類似進行操作，下面展示SPH方法的使用及注意事項。
展開 彈丸沖擊侵徹平板（ABAQUS 6.16幫助文檔第2.1.4節(jié)）
本文手工翻譯自ABAQUS 6.16幫助文檔第2.1.4節(jié)，未經(jīng)許可，請勿轉(zhuǎn)載！
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關(guān)鍵詞：沖擊 漸進損傷失效模型 節(jié)點侵蝕（nodal erosion） 通用接觸算法 Abacus/Explicit
傳送門：第2.1.3節(jié) 剛性彈丸對板材的侵徹分析
https://www.yqgqt.org.cn/post/1926993
本示例驗證了通用接觸算法（general contact algorithm）具備模擬高速沖擊過程中多個接觸體表面侵徹的能力。本示例模擬了速度為2000m/s的圓柱形彈丸以傾斜角度沖擊裝甲平板的過程。彈丸和鋼板均采用相同的材料模型——漸進損傷的失效模型。
一、問題描述
未變形的網(wǎng)格單元如圖2.1.4-1所示。
裝甲平板的厚度為3毫米。為了簡化分析，僅對裝甲平板上的一個相對較小的矩形區(qū)域進行建模，該分割出的小區(qū)域的三個面的邊界條件設(shè)置為完全固定，剩余一面設(shè)置為沿y軸對稱。
彈丸的長度為10毫米，半徑為1毫米，初始速度為2000 m/s。圓柱狀彈丸的軸線與裝甲平板的垂直方向呈20°夾角，且彈丸的初始速度方向與其軸線方向一致僅對彈丸的一半進行建模，并指定該部分沿y軸對稱。
裝甲平板和彈丸的材料屬性完全相同，包括楊氏模量210GPa、泊松比0.3和密度7800kg/m3。材料的屈服應(yīng)力被定義為在不同等效塑性應(yīng)變率下的等效塑性應(yīng)變的函數(shù)。材料定義還包括了漸進損傷的失效模型，因而在分析過程中Abacus/Explicit會將失效的網(wǎng)格單元移除。
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基于abaqus利用SPH方法進行侵徹模擬
剛性彈丸對板材的侵徹分析（ABAQUS 6.16幫助文檔第2.1.3節(jié)）
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關(guān)鍵詞：沖擊 失效模型 無限元 Abacus/Explicit
傳送門：第2.1.4節(jié) 彈丸沖擊侵徹平板
https://www.yqgqt.org.cn/post/1929186
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(yīng)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(xiàn)。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(yīng)力為1220MPa，硬化斜率恒定為1220MPa。材料應(yīng)用漸進失效模型（progressive failure model），從而Abaqus/Explicit將刪除發(fā)生失效的網(wǎng)格單元。假設(shè)失效發(fā)生在100%的等效塑性應(yīng)變下，此時網(wǎng)格單元將被立即刪除。（失效應(yīng)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(shè)為剛性，其為均一材質(zhì)，密度為37240 kg/m3。假設(shè)球體和板之間沒有摩擦，由此模型中無需設(shè)置球體的轉(zhuǎn)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(xiàn)的更復(fù)雜的三維表面幾何形狀必須使用由網(wǎng)格單元形成的表面進行表達。對C3D8R單元的截面控制規(guī)則進行修改。
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算例丨Abaqus軟件中陶瓷本構(gòu)模型及侵徹損傷失效數(shù)值計算應(yīng)用實例
1 數(shù)值計算軟件中本構(gòu)模型
陶瓷由于其波速高、模量大，具有良好的抗侵徹性能，在各類型裝甲設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。而JH本構(gòu)形式簡單，易于理解，已成為Abaqus、LS-DYNA和Autodyn等商用軟件的內(nèi)嵌本構(gòu)模型，可一定程度上滿足日常使用及工程計算要求。
對于陶瓷材料Abaqus幫助中給出了3種本構(gòu)模型，Extended Drucker-Prager本構(gòu)（以下簡稱DP本構(gòu)）、JH-2和JHB本構(gòu)模型。DP本構(gòu)多用來模擬巖土材料（粒狀土壤和巖石），擴展DP本構(gòu)給出的應(yīng)力與壓力的關(guān)系也與JH本構(gòu)中未損傷時應(yīng)力與壓力的關(guān)系類似，其損傷段定義采用等效塑性應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的對應(yīng)關(guān)系進行定義，狀態(tài)方程采用Mie-Grüneisen形式（詳見Abaqus相應(yīng)部分幫助）。
Abaqus官方幫助中給出的JHB本構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。其中標紅部分與Abaqus幫助（2021版本）不同，應(yīng)為幫助原文疏漏。
表1 JHB本構(gòu)模型參數(shù)
JHB本構(gòu)模型的應(yīng)力與壓力關(guān)系主要分為完整（Intact）和損傷（Failed）兩部分，表1中下標帶有 i 的即為完整部分相應(yīng)參數(shù)，下標 f 即代表損傷部分參數(shù)；雖然JHB本構(gòu)模型公式中考慮了脆性材料的相變特性，表1標藍部分參數(shù)應(yīng)為對應(yīng)的相變參數(shù)，但幫助中全部設(shè)置為0，推知官方幫助中給出的這組參數(shù)不能考慮陶瓷相變的影響。
Abaqus官方幫助中給出的JH-2本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。
表2 JH-2本構(gòu)模型參數(shù)
JH-2本構(gòu)模型以無量綱形式描述了應(yīng)力和壓力的關(guān)系，以Hugoniot極限下的壓力對壓力變量進行了無量綱化。
JHB本構(gòu)模型狀態(tài)變量如表3所示。
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