弹丸冲击侵彻平板（ABAQUS 6.16帮助文档第2.1.4节）

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关键词：冲击渐进损伤失效模型 节点侵蚀（nodal erosion） 通用接触算法 Abacus/Explicit

传送门：第2.1.3节刚性弹丸对板材的侵彻分析

https://www.jishulink.com/post/1926993

本示例验证了通用接触算法（general contact algorithm）具备模拟高速冲击过程中多个接触体表面侵彻的能力。本示例模拟了速度为2000m/s的圆柱形弹丸以倾斜角度冲击装甲平板的过程。弹丸和钢板均采用相同的材料模型——渐进损伤的失效模型。

一、问题描述

未变形的网格单元如图2.1.4-1所示。

装甲平板的厚度为3毫米。为了简化分析，仅对装甲平板上的一个相对较小的矩形区域进行建模，该分割出的小区域的三个面的边界条件设置为完全固定，剩余一面设置为沿y轴对称。

弹丸的长度为10毫米，半径为1毫米，初始速度为2000 m/s。圆柱状弹丸的轴线与装甲平板的垂直方向呈20°夹角，且弹丸的初始速度方向与其轴线方向一致仅对弹丸的一半进行建模，并指定该部分沿y轴对称。

装甲平板和弹丸的材料属性完全相同，包括杨氏模量210GPa、泊松比0.3和密度7800kg/m³。材料的屈服应力被定义为在不同等效塑性应变率下的等效塑性应变的函数。材料定义还包括了渐进损伤的失效模型，因而在分析过程中Abacus/Explicit会将失效的网格单元移除。

此外，还同时使用了韧性和剪切起始准则（ductile and shear initiation criteria）：韧性准则以损伤起始时的塑性应变作为应力三轴度（stress triaxiality）的表格函数进行定义；剪切准则以损伤起始时的塑性应变作为剪切应力比（shear stress ratio）的表格函数进行定义。假设损伤演化能量（damage evolution energy）为500N/m。

在分析过程中，弹丸和装甲平板的网格单元都将出现失效，因此需要使用基于网格单元的面（element-based surfaces）来适应当前未失效单元的暴露表面。通用接触算法支持基于网格单元的面（而不支持接触对算法）。要模拟侵蚀接触，用户必须在接触域（contact domain）中包括分析过程中可能暴露的所有表面，包括最初位于主体内部的表面。在此分析中，只有预期发生接触的内部面才包含在接触域中，以最小化内存的使用（如果包括了模型中所有单元的内部面，将使内存的使用量增加一倍以上）。

默认情况下，通用接触算法不包括节点侵蚀（nodal erosion）【在abaqus explicit中Nodal erosion：默认=no】，因此即使周围的所有单元都已失效，接触节点仍将参与接触计算。这些节点充当自由浮动质点（free-floating point masses），可以与主动接触面（active contact faces）发生接触。为了便于比较，还进行了节点侵蚀的分析，由此一旦周围的所有单元都已失效，节点将从接触计算中移除（可以节省计算量）。在本示例中，与自由节点（free-flying nodes）相关的动量传递预计很大，因此不推荐使用节点侵蚀。

二、结果与分析

在分析的不同阶段中发生的变形形状如图2.1.4–4至图2.1.4–5所示，这些图中仅显示了激活单元（active elements）。

如2.1.4–5图所示，弹丸最终穿透了装甲平板，在分析过程中，大约弹丸的前半部分单元会失效。在2.1.4–5图中可以看到一些激活单元的断裂碎片。这些碎片的节点和暴露面可以参与接触。不再附着于任何激活单元的节点仅在没有节点侵蚀的分析（对应于第一个主INP文件）过程中参与接触。

图2.1.4–6分别比较了进行节点侵蚀和不进行节点侵蚀的分析的总动能变化。对于没有节点侵蚀的模型，大约32%的初始动能被吸收；而对于具有节点侵蚀的模型，大约26%的初始动能被吸收。

弹丸冲击侵彻平板（ABAQUS 6.16帮助文档第2.1.4节）的图3