用Abaqus模拟子弹侵彻问题
侵彻是在军工上非常普遍出现，又很重要的现象。在侵彻的过程中，通常侵彻目标和侵彻物均会发生材料失效，同时随着界...
侵彻是在军工上非常普遍出现，又很重要的现象。在侵彻的过程中，通常侵彻目标和侵彻物均会发生材料失效，同时随着界面处材料的失效其接触面在不断的改变，下面将通过一颗子弹高速冲击钢板的例子，来展示如何在Abaqus中对这类问题进行建模和分析，以及材料模型在这类问题中的选择和Abaqus如何来处理不断改变的接触面等这类复杂的问题。
1. 问题描述
（1）模型介绍
一颗子弹以2000m/s的速度冲击钢板并发生侵彻，子弹尺寸如图1所示，钢板长5m，宽3m，厚0.4m，子弹轴线与钢板上表面法线夹角20゜。
图
1
子弹与钢板模型
（2）材料属性
在模拟侵彻问题时，由于分析过程中涉及到较高的应变率，因此需要将材料模型应以为应变率相关材料；此外，为了模拟侵彻过程中材料的破坏，采用延性及剪切破坏的应变来定义材料的损伤。具体材料参数如下：
- 密度：7800Kg/m3
- 弹性模量：2.1E11
- 泊松比：0.3
表1塑性参数
屈服
应力
塑性
应变
应变率
屈服
应力
塑性
应变
应变率
屈服
应力
塑性
应变
应变率
屈服
应力
塑性应变
应变率
7.76E+08
0
0
7.99E+08
0
0.01
8.08E+08
0
1
8.12E+08
0
100
8.09E+08
0.01
0
8.31E+08
0.01
0.01
8.42E+08
0.01
1
8.50E+08
0.01
100
8.29E+08
0.02
0
8.55E+08
0.02
0.01
8.69E+08
0.02
1
8.82E+08
0.02
100
8.42E+08
0.03
0
8.74E+08
0.03
0.01
8.93E+08
0.03
1
9.09E+08
0.03
100
8.66E+08
0.06
0
9.16E+08
0.06
0.01
9.46E+08
0.06
1
9.74E+08
0.06
100
8.83E+08
0.1
0
9.55E+08
0.1
0.01
9.98E+08
0.1
1
1.04E+09
0.1
100
8.95E+08
0.15
0
9.89E+08
0.15
0.01
1.05E+09
0.15
1
1.10E+09
0.15
100
9.10E+08
0.25
0
1.04E+09
0.25
0.01
1.12E+09
0.25
1
1.19E+09
0.25
100
9.22E+08
0.4
0
1.09E+09
0.4
0.01
1.19E+09
0.4
1
1.28E+09
0.4
100
9.53E+08
2
0
1.28E+09
2
0.01
1.49E+09
2
1
1.70E+09
2
100
7.91E+08
0
0.001
8.05E+08
0
0.1
8.10E+08
0
10
8.15E+08
0
1000
8.24E+08
0.01
0.001
8.35E+08
0.01
0.1
8.46E+08
0.01
10
8.55E+08
0.01
1000
8.46E+08
0.02
0.001
8.63E+08
0.02
0.1
8.76E+08
0.02
10
8.88E+08
0.02
1000
8.63E+08
0.03
0.001
8.84E+08
0.03
0.1
9.01E+08
0.03
10
9.17E+08
0.03
1000
8.99E+08
0.06
0.001
9.33E+08
0.06
0.1
9.60E+08
0.06
10
9.87E+08
0.06
1000
9.31E+08
0.1
0.001
9.78E+08
0.1
0.1
1.02E+09
0.1
10
1.06E+09
0.1
1000
9.58E+08
0.15
0.001
1.02E+09
0.15
0.1
1.07E+09
0.15
10
1.13E+09
0.15
1000
9.95E+08
0.25
0.001
1.08E+09
0.25
0.1
1.15E+09
0.25
10
1.23E+09
0.25
1000
1.03E+09
0.4
0.001
1.14E+09
0.4
0.1
1.24E+09
0.4
10
1.33E+09
0.4
1000
1.17E+09
2
0.001
1.39E+09
2
0.1
1.60E+09
2
10
1.81E+09
2
1000
表2 延性损伤参数
表3 剪切损伤参数（Ks=0.03）
2.31
-3.33
0.001
2.31
-0.333
0.001
2.18
-0.267
0.001
2.06
-0.2
0.001
1.95
-0.133
0.001
1.85
-0.0667
0.001
1.76
0
0.001
1.67
0.0667
0.001
1.59
0.133
0.001
1.52
0.2
0.001
1.46
0.267
0.001
1.4
0.333
0.001
1.35
0.4
0.001
1.3
0.467
0.001
1.26
0.533
0.001
1.23
0.6
0.001
1.2
0.667
0.001
1.15
0.73
0.001
1.06
0.851
0.001
0.945
1.02
0.001
0.816
1.24
0.001
0.685
1.51
0.001
0.202
3.33
0.001
0.86
-10
0.001
0.86
1.7
0.001
0.859
1.72
0.001
0.86
1.73
0.001
0.865
1.75
0.001
0.874
1.77
0.001
0.886
1.78
0.001
0.901
1.8
0.001
0.921
1.81
0.001
0.944
1.83
0.001
0.97
1.85
0.001
1
1.86
0.001
1.04
1.88
0.001
1.08
1.89
0.001
1.12
1.91
0.001
1.17
1.92
0.001
1.22
1.94
0.001
1.28
1.96
0.001
1.34
1.97
0.001
1.41
1.99
0.001
1.48
2
0.001
1.56
2.02
0.001
1.56
10
0.001
图
2
应变率相关材料设置 图3 剪切损伤演化设置
分析步选择显式动力学（Dynamic，Explicit），求解时间为1E-3s。
（4）边界条件
- 对下图所示钢板区域定义PINNED约束；
图
5
钢板约束区域
图
6 PINNED
约束
- 对子弹定义初速度，方向沿子弹轴线；
图7定义初速度
- 定义接触。在侵彻过程中，子弹不仅与钢板表面接触，而且随着损伤的出现和演化，与钢板内部均有可能发生接触，因此这类问题中需对所有模型定义通用自接触。
- 结果分析
0.25ms
时刻的应力云图
0.5ms
时刻的应力云图
图
8
侵彻过程
Abaqus软件在模拟子弹侵彻钢板这类高度非线性问题方面具有较大的优势，再加上合适的网格密度以及材料塑性条件和损伤准则，可以非常准确的模拟侵彻问题。
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