高速弹丸侵彻混凝土靶板数值模拟研究

第４０卷第４期２０１４年２月

山

ＳＨＡＮＸＩ

西建筑

ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ

Ｖ０１．４０Ｎｏ．４Ｆｅｂ．２０１４

４９

文章编号：１００９ ６８２５（２０１４）０４—００４９—０３

高速弹丸侵彻混凝土靶板数值模拟研究

张明润１

张咏侠２张彤３骆俊２畅泽文４

（１．济南军区空军后勤部机场营房处，山东济南

３．空军工程设计研究局，北京１０００６８

２５０１）０２：２．南京军区空军后勤部，江苏南京２１００１８４．空军第三空防ｑ－程处，河北保定０７１０００）

摘要：采用数值模拟的方法，利用Ｌｓ．ＤＹＮＡ建立动力学模型，分析了弹丸侵彻混凝土的过程中应力及变形的变化，通过计算可以实现弹丸从接触到贯穿混凝土的整个过程中弹丸应力云图的变化，以及混凝土开坑的整个过程，结果可以为实际工程中混凝土结构抗侵彻设计提供指导依据。

关键词：混凝土，冲击，高速弹丸，动力响应中图分类号：ＴＵ３１１．３

文献标识码：Ａ

０引言

如何提高遭受强烈自然灾害和外部打击时地下民用与军事工程的生存能力是世界各国政府和科学技术界普遍关注的问题…，高速冲击作用下结构的安全问题是其中一项重要的研究内容。混凝土是目前地下结构中应用最为广泛的材料，其作为一种

到实时的数据，但对操作人员和设备仪器的要求都很高，在试验

的准备和数据的采集方面将有很大的工作量，且高速冲击下的数据容易受外界的影响，这样必然导致数据的离散性较大。本文将采用数值模拟的方法研究高速弹丸侵彻混凝土靶板的问题，在对实际结构进行一定简化的基础上建立实体模型，描述弹体打入靶板后混凝土的应力及变形的过程，其结论对实际工程将具有一定的指导意义。

１

复合材料，组分复杂，包括水泥、砂浆、碎石（骨料）及水，掌握其在

冲击荷载下的力学特性对实际工程而言很有必要。而目前对于

冲击作用下材料的力学特性研究若仅采用试验的方法虽然能得

ｇｌ＝ｙＧ×（ｇ，ｔｌ＋ｇ强）＝１．２×（０．５ｘ２．５＋０．５）＝２．１

Ｇ＝ｂｘｇ，＝Ｏ．７５ｘ２．１＝１．５７５ｋＮ。

ｋＮ／ｍ。

问题描述

其中，ｎ为桁架节点数；Ｗ为风荷载设计值，Ｗ＝ｙ。×毗×Ｈ×

ｌ，ｗ。为当地风荷载标准值，经计算后，取０．７５

ｋＮ／ｍ２。

ｄ．凡＝２

ｘ４．５＋１／２ｘ２４．５＋１．５７５＝２２．８２５ｋＮ。

Ｗ＝ｙｃ×ＷＩ×Ｈ×Ｚ＝１．４ｘ０．７５×２．５×２．５＝６．５６ｋＮ。

２．５主纵桁架荷载受力简图

主纵桁架荷载受力简图见图３。

、

Ｆ。＝１／２×（ｎ一１）形＝１／２×（１１—１）ｘ６．５６＝３２．８

ｋＮ。

上、下弦支撑布置时，考虑风荷载为双向作用，因此采用腹杆交叉形式布置，属超静定结构。但在内力计算时，由于受压杆失稳退出计算，只以斜杆静定桁架进行分析。支撑杆件从受拉强度应力比和拉杆长细比两个方面控制，经多次实际计算，用长细比

控制选择的杆件，可以远远满足受风荷载的抗拉强度。

图３主纵桁架荷载受力筒图（单位：ｋＮ）

３结语

以上是对一工程实例中的通廊进行的荷载计算，数值已精确

２．６端门架受力分析

通廊屋盖标高处所承受风荷载最终由通廊两端端门架承担后，传至支座处，计算简图如图４所示。

至千分位。实际设计中，由于机运条件的不同，通廊主桁架跨度、宽度、节间距离、高度都有所不同，设计时只需对上述计算式中相应参数进行修改，就可得出精确数值。不仅使通廊设计荷载足够

精确，更是为之后的杆件布置和选型做了良好的铺垫。参考文献：

［１］金峙．现代矿山工程施工图集与施工设计新技术实用手

册（第十篇）［Ｍ］．北京：当代中国音像出版社，２００５．

图４靖门架计算简图

［２］ＧＢ５０２１５－２００５，煤炭工业矿井设计规范［Ｓ］．［３］ＧＢ５０００９－２０１２，建筑结构荷载规范［Ｓ］．

凡＝１／２×（ｎ一１）Ｗ。

Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍａｎａｌｙｓｉｓ

（Ｔａｉｙｕａｎ

ｗｉｔｈ

ａｎｄ

ｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｒｒｉｄｏｒ

ＷＡＮＧ

Ｒｕｉ

ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｉｇｎ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｃｏ．，删），Ｔａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）

ｏｆＮｅｗ

ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＭｏｄｅｒｎＭｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｈａｒｔａｎｄＰｒａｃｔｉｃａｌＭａｎｕａｌ

ａｌｌ

ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓｓｙｓｔｅｍ

ａ

ａｎｄ

ｌｏａｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｒｒｉｄｏｒ，ｓｏｌｖｅｓｔｈｅｃｏｒｒｉｄｏｒｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．

ｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｌａｙｓ

ｐｒｅｐａｒａｔｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｍｅｍｂｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ａｎｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｒｉｄｏｒ，ｌｏａｄ，ｔｒｕｓｓ，ｊｏｉｎｔ

收稿日期：２０１３－１１－１９

作者简介：张明润（１９６３－），男；张咏侠（１９８０一），男，工程师；张彤（１９８０－），男，工程师；骆俊（１９８２．），男，工程师

畅泽文（１９７３－），男，工程师

５０

第加卷第４期２０１４年２月

山西建筑

图６是混凝土靶板被弹体穿透的全过程，可以看出弹丸刚与

实际的防护结构多是采用混凝土材料，目前我军第三代单机

隐蔽库采用半被覆衬砌结构，内衬三维波纹钢，浇筑超过ｌｍ的钢筋混凝土，但钻地武器、激光制导武器的迅猛发展已经对单机

隐蔽库产生了重大威胁。研究弹丸对混凝土的冲击效应具有重要的现实意义，现以如下工程实例为例，一个直径ｄ＝１５ｃｍ，长度

Ｌ＝４３

混凝土开始接触时，接触面上的混凝土首先挤压变形，随着弹丸

的穿入，垂直于弹丸方向的混凝土在一定距离内慢慢变软，内部微裂缝迅速扩展，形成很多的破坏微单元，而弹丸周围的混凝土也产生破坏，整体呈坑形。随着弹丸的继续深入，混凝土的破坏开始变化，主要的破坏部位是弹丸的周围，不再是弹头处的混凝

ｉｌｌｒｌｌ的圆柱体弹丸，材料为钢，以１

５００

ｍ／ｓ的速度侵彻混

Ｉｌａｍ×４００ｍｉｌｌ×

凝土靶板，如图１所示。混凝土靶板的尺寸为４００

６０

土，由２０炉时刻的图像可以清楚的看到，弹头处的混凝土仍比较

完整，但是周边的混凝土开始产生大量的裂纹，随后的破坏过程也就是按照此规律开展下去直至混凝土被穿透。

１１１１１１，四周边界固定，以此模拟混凝土靶板的破坏现象。

Ｉ；：｛．２２５９ｅ－４ｅ－０毖

图１

弹丸侵彻混凝土板的示意图

２建模分析

弹丸高速侵彻混凝土时，混凝土靶板会出现破碎、成坑和崩

◆㈤。１．１５０ｅ－０２◆

图５弹丸应力云图

Ｔｉｍｅ＝９．９９５４

■１．００４ｅ－０２８７ｅ３７３６ｅ３５５，－Ｏｅ一一一一３３７ｅ一３５ｅ３

ｅ３２●Ｏ２０引”佗埔∞∞弘∞一一＋００００００００Ｏ

ｅｅ

落现象，为了更好的描述这些现象，混凝土靶板采用宰ＭＡＴ．ＳＯＩＬ．

ＣＯＮＣＲＥＴＥ。由对称性仅可以计算Ｉ／４模型，采用三维实体单元

划分网格旧１，见图２。图３是靶板的实体模型，在对称面上施加对称边界约束，靶板边界施加固定约束。弹丸和混凝土靶板之间采

用侵彻接触算法口１，采用ｃｍ．ｇ．炉建模。计算时间为５０炉，每Ｉ炉输出一个结果数据文件。

图２混凝土靶板网格划分

图３混凝土靶板模型

３模拟结果及讨论

求解完成后可以查看靶板的应力随时间变化的全过程，图４是不同时刻混凝土靶板的应力云图，从模拟的结果可以发现，弹

体随时间推移而不断加深其侵彻深度，最终贯穿混凝土靶板，侵彻过程中弹体周围靶体的应力分布较为清晰，离弹体表面越远，应力值就越小，应力梯度比较明显。随着侵彻深度的加深，应力以波的形式向远处传播。在开坑阶段，当弹体刚刚接触靶体时，

冲击波从碰撞点大致呈半球形向外扩展，应力总体上呈增长趋势，这主要是弹一靶接触面不断增大的缘故，最后，最大应力主要集中在弹体前端部分。

Ｒ毯厘一ｋｉ

图６混凝土靶板被弹丸穿透过程

时间

８００ｅ—０３５２０ｅ—０３２４０ｅ—０３９００ｅ—０３６８０ｅ—０３４００ｅ－０３１２０ｅ－０３４００ｅ—０４６００ｅ一０４

瞄２．８２００ｅｏｅ－０－０；＿２．２４０ｅ—０３

１．９６０ｅ－０３

ａ）ＸＩＹ方向

出．６００ｅ８０ｅ＿０－０；

ｉ１１２０ｅ—０３８４００ｅ—０４

Ｒ倒厘

Ｎ

８００ｅ一０４

６４１ｅ－３４

Ｉ２５彻．６００ｅｅ埘－０４

－２．４３５ｅ一１４

图４混凝土靶板应力云图

时间

ｂ）Ｚ方向

图５给出了侵彻过程中弹丸的应力云图，从图中可以看出弹丸应力最大处不是在最顶端，而是在距顶端一定距离处，并且随着子弹贯穿深度的增加，最大应力的分布也在发生变化，弹丸刚开始与靶板接触时，最大应力距顶端较近，顶端低应力区域也较小；弹丸侵彻一定深度后，顶端低应力区域也相应增大，且最大应力区与顶端距离也增大了。

图７弹丸】页端应力一时程曲线

图７是弹丸最顶端三个方向的应力时程曲线（ｘ与ｙ方向相同），可以看出在整个过程中三个方向上应力的变化波动都非常明显，在弹丸刚射入混凝土靶板时，ｚ方向上应力水平要略高于ｘ（ｙ）

方向，各个方向上应力达到最大值的时间都相同，并且变化趋势也

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Ｖ０１．４０Ｎｏ．４Ｆｅｂ．

２０１４

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岩－＇Ｌ工程 地基基础

ｊｆ

文章编号：１００９—６８２５（２０１４１０４—００５１—０２

动态施工条件下土钉内力计算方法研究

张俊杰刘泽

ｌ黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５００００）

摘要：以某深基坑工程土钉支护结构为例，采用现有设计规范对各层土钉的受力情况进行了分析，结果与实测值相差较大，采用考虑动态施工条件下的增量简化计算方法计算各层土钉内力，计算结果与实测值绘制的曲线分析比较吻合，得出增量法对动态施工条件下土钉内力计算简单可行，更符合工程实际。关键词：动态施工，土钉内力，规程，增量法中图分类号：ＴＵ４６３

文献标识码：Ａ

在基础建设中，基坑工程除需要保证自身及施工安全，还要

保证周边相邻建筑物、构筑物以及一些其他地下设施的安全¨’２１。在基坑支护技术中，土钉支护技术使用较为方便，结构相对简单，造价更加经济合理，因此得到了广泛应用＂’４’。但目前对于土钉支护中土钉内力的计算方法尚不够完善。因此有必要结合现场

帆Ｊ

２三珈吒Ｊｓ巧岛

（１）

其中，眠，『为第Ｊ层土钉的轴向拉力标准值；ａ，为第Ｊ层土钉

的倾角；ｆ为墙面倾斜时的主动土压力折减系数；叩，为第，层土钉

轴向拉力调整系数；九．．为第，层土钉处的主动土压力强度标准

值；ｓ坷为土钉的水平间距；＆为土钉的垂直间距。

实测数据对土钉内力计算方法进行讨论。本文以开挖唐山金盛地下广场深基坑工程为例，在现有设计理论的基础上进行分析研

究，同时结合工程实际深入的研究了动态施工条件下更加可行的

增量法¨１。唐山金盛地下广场，经论证采用土钉支护方式，基坑

垂直开挖深度为７．２ｍ，土体为均匀土体，主要参数为内聚力

５

ｆ：咖学ｆ毒一南］肛（一警）㈤

其中，ｆ为主动土压力折减系数；卢为土钉墙坡面与水平面的

夹角；９。为基坑底面以上各土层按土层厚度加权的内摩擦角平均值冲Ｊ。

计算结果与实测结果相比较，表明根据此方法得出的土钉力与实测结果并不一致。

ｋＰａ，内摩擦角为３６。，土体重度２０ｋＮ／ｍ’。分４步开挖，每步的

ｍ，

开挖深度为Ｉ．８ｍ。设置４排钻孔灌浆钉，每排竖向问隔Ｉ．８

钻孔灌浆钉直径为１００咖。

１

建筑基坑支护技术规程

根据ＪＧＪ１２０－２０１２建筑基坑支护技术规程方法，土钌内力计

２基坑土钉支护技术规程

根据ＣＥＣＳ９６：９７基坑土钉支护技术规程方法，土钉内力计算结果：

算结果：

每根土钉所受拉应力为：

相同，经过一定时间后，三个方向上的应力波动开始减小并稳定在一定水平内，此时弹丸顶端可能已经穿透混凝土靶板了。

处。从应力时程曲线可以看出，混凝土靶板的破坏过程中弹丸顶端应力变化最大的阶段是在弹丸射入混凝土的初始阶段。参考文献：［１］［２］

鞠杨，环小丰，宋振铎，等．损伤固岩中爆炸应力波动的数值模拟［Ｊ］．爆炸与冲击，２００７（３）：１３６—１４２．

王金龙，王清明，王伟章．ＡＮＳＹＳｌ２．０有限元分析与范例解

４结语

本文通过ＬＳ－ＤＡＮＹ建立实体模型分析了弹丸侵彻混凝土靶

板的过程，通过数值分析求解，得出了侵彻过程中应力变化、混凝

土靶板的位移变形趋势，结果表明：在开坑阶段，当弹体刚刚接触靶体时，冲击波从碰撞点处大致呈半球形向外扩展，应力总体上呈增长趋势，而混凝土靶板的破坏在２０炉左右开始发生变化，在此之后混凝土的破坏主要集中在弹丸的周围，而不是弹丸的弹头

析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０：４．［３］

江见鲸，陆新征，叶列平．混凝土结构有限元分析［Ｍ］．北

京：清华大学出版社，２００５：３．

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙ

ＺＨＡＮＧｉｉｌｌｇ－ｒｎｌｌ’

ｏｎ

ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂｕｌｌｅｔｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅｔａｒｇｅｔ

ＺＨＡＮＧＴｏｎ９３

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Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

（１．ＡｉｒＦｏｒｃｅＬｏｇｉｓｔｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｒａｔｈｅＡｉｒＦｏｒｃｅＬｏｇｉｓｔｉｃ

０１Ｔｗｅ，ＮａｎｊｉｎｇＭｉｌｉｔａｒｙＡｒｅａ，Ｎａｎｊｉｎｇ

２１００１８，Ｃｈｉｎａ；３．Ａｉｒ

ｏｆ．矗ｎａｎＭｉｌｉｔａｒｙＣｏｍｍａｎｄ，Ｊｉｎａｎ２５０００２，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｉｒＦｏｒｃｅＬｏｇｉｓｔｉｃｓＦｏｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＢｕｒｅａｕ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００６８，Ｃｈｉｎａ；

Ｆｏｒｃｅ

４．ＴｈｅＮｏ．３ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａ，ｔｍ帆ｔｏｆＡｉｒ

Ｄｅｆｅｎｃｅ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｓｅｔｈｅｎｕｍｅｆｉｃＭｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｌｍｏｄｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｂｕｉｌｔｔｈｒｏｕｇｈＬＳ－ＤＹＮＡ，ｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｈａｖｅｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｇｅｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｈａｎｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｕｌｌｅｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｃｔｔｏｃｒｏｓｓｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅｅｎｐｅｎｅｔｒａｔｅｄｈａｖｅｂｅｅｎｇｏｔ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎＣａｎｏｆｆｅｒ

ａ

ｇｕｉｄａｎｃｅｇｏｒｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｔｉ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｉｍｐａｃｔ，ｂｕｌｌｅｔｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ

收稿日期：２０１３ １１－２６

作者简介：张俊杰（１９６５一），女，副教授；

刘泽（１９８８－），男，在读硕士

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高速弹丸侵彻混凝土靶板数值模拟研究

作者：作者单位：

张明润， 张咏侠， 张彤， 骆俊， 畅泽文， ZHANG Ming-run， ZHANG Yong-xia， ZHANG Tong， LUOJun， CHANG Ze-wen

张明润,ZHANG Ming-run(济南军区空军后勤部机场营房处,山东济南,250002)， 张咏侠,骆俊,ZHANG

Yong-xia,LUO Jun(南京军区空军后勤部,江苏南京,210018)， 张彤,ZHANG Tong(空军工程设计研究局,北京,100068)， 畅泽文,CHANG Ze-wen(空军第三空防工程处,河北保定,071000)山西建筑

Shanxi Architecture2014,40(4)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

1.鞠杨;环小丰;宋振铎 损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟 2007(03)2.王金龙;王清明;王伟章 ANSYS12.0有限元分析与范例解析 20103.江见鲸;陆新征;叶列平 混凝土结构有限元分析 2005

本文链接：http://wendang.chazidian.com/Periodical_shanxjz201404026.aspx