基于 GTN 损伤模型的坡膛损伤数值分析.pdf

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1、2014年3月机械设计与制造工程Mar．2014第43卷第3期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．3DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．03．007基于GTN损伤模型的坡膛损伤数值分析顾玮，伍铁军，于洋(1．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)(2．73906部队，江苏南京210028)摘要：针对火炮身管在射击过程中形成的横向裂纹，运用弹塑性有限元接触理论，基于GTN细观损伤原理，引入了坡膛材料的初

2、始损伤及累计损伤模型。对弹带挤进冲击坡膛的过程进行了模拟数值分析，建立了弹带挤进冲击坡膛的显式非线性有限元模型。对在两种不同结构坡膛条件下的弹带挤进过程进行分析计算，得到了挤进过程坡膛的动力学响应，并通过计算分析了坡膛结构变化对挤进冲击力的影响，得出相应规律性结论，揭示了坡膛结构因素所导致的内膛出现横向裂纹的形成机理。关键词：火炮；坡膛结构；冲击；细观损伤；非线性；有限元中图分类号：TP391．9文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)03—0027—03火炮的发射涉及到弹带挤进坡膛的过程

3、，弹带为微观层面的等效应力；q，q，q，为修正参数材料在挤进坡膛的过程中，膛壁受挤压作用而产生是总的等效孔洞体积分数，是孔洞体积分数，的函大变形。由于挤进时间很短，因此伴随着挤进过程数，用于解释由于孔洞聚合导致材料承载能力下降坡膛材料出现了高应变率、温度升高、应力软化等的现象。一系列复杂的非线性力学形态，分别涉及非线性问题的三大方面：材料非线性、几何非线性和边界条2坡膛损伤参数的确定件非线性。工程和学术界针对冲击问题建立的本身管材料的GTN细观损伤模型的材料参数取构模型主要分为两大类，一类为纯粹经验型的

4、，而自相关文献，见表1。表1GTN模型材料参数另一类则为高度理论化的。其中，经验式的公式往往是基于实验结果的，而理论化的公式多是由材料项目数据项目数据的细观模型导出。密度／(kg·ITI一。)7．83×10n／GPa1．03本文基于GTN细观损伤模型，建立弹带材料弹性模量／GPa200SO0．0049的初始损伤及累计损伤失效模型，运用显式非线性泊松比0．29n22有限元算法对两种不同结构坡膛的挤进过程进行ql1．5s0．1瞬态动力学的数值模拟，研究了坡膛结构变化对弹q21s0．3带挤进冲击身管内壁的影响

5、，为从力学角度揭示火q32．25{0．04炮坡膛裂纹形成机理奠定了理论基础。fo0．005025fo151GTN本构GTN模型的屈服函数为。3计算模型3．1有限元模型咖=(予)+2qcosh(3q220r,n／厂以某型火炮坡膛及弹丸为研究对象，采用(1+g()Pro／E实体建模软件分别建立弹丸、弹带和坡膛的式中：or为宏观静水应力；。为宏观的等效应力；CAD模型，在有限元前处理软件MSC．Patran中进收稿日期：2Ol3一l1一o4作者简介：顾玮(1983一)，男，江苏江都人，南京航空航天大学硕士研究

6、生，主要研究方向为机械设计、火炮自动控制。·27·2014年第3期顾玮：基于GTN损伤模型的坡膛损伤数值分析的产生。过程进行了分析，运用弹塑性有限元接触理论，基为深入理解孔洞闭合区域的受力情况，提取孑L于GTN细观损伤模型对长坡膛及短坡膛工况下的洞闭合区域一个单元处的等效应力、基体塑性应变挤进过程导致的坡膛内壁损伤进行了数值模拟。的时间曲线图进行相关对比研究，如图5所示。由通过计算发现短坡膛工况下弹带挤进导致的内膛图可以看出，工况1单元在2．5～3．8ms时间段内损伤分布比较集中(主要集中于阳线起点位置

7、之与前后弹带进行了接触，且接触之后该单元仍然有后)，而长坡膛工况下挤进过程导致的损伤分布较一定的残余应力，这意味着该单元发生了一定塑性为分散(其分布区域为从阴线起点至阳线起点以形变，主要的塑性形变产生于3．0～3．8ms时间区及阳线起点之后的区域)，而两种坡膛工况下弹带间内，后弹带与该单元接触时发生了一定的塑性形挤进导致的坡膛内壁的损伤峰值，短坡膛的要比长变，即后弹带与该坡膛单元的挤压致使空穴发生了坡膛的大一个量级，且短坡膛最大损伤处变形明闭合。工况2孔洞闭合现象发生于3．0～3．5ms时显，类似于棒材

8、拉拔产生的颈缩现象，而长坡膛工间区间内，该时间段内前弹带作用于该单元的应力况下相对应处无明显变形。本文对火炮的坡膛结达到峰值，致使孔洞发生闭合效应。在3．5～构设计提供了方向，但是对弹带挤进冲击坡膛的4．0ms时间区间内，后弹带挤过该单元，由于孔洞有限元计算结果的应用还需要通过相关实验来验闭合效应，该单元处损伤减小，后弹带作用下该单证。由于目前实验条件及测试手段的限制，弹带在元处的塑性变形较小，因而后弹带作用于该单元处高温、高压及瞬态的环境