离散元法侵彻混凝土靶板数值模拟研究

吴东旭，姚 勇，刘筱玲，邓勇军

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000)

早期，人们对于侵彻混凝土过程的模拟均是基于连续介质理论分析的力学行为，即假设混凝土为各向同性材料。然而，混凝土是由砂浆和骨料以及其他一些材料组成的非均质复合材料［1－2］。PFC3D(particle flow code in three dimension)即三维颗粒流程序［3］，将模拟分解为成千上万的颗粒来研究，通过离散单元法(discrete element method)模拟球形颗粒的运动和颗粒之间的相互作用。颗粒之间的相互作用有2种方式，即接触键粘结和平行键粘结。由于当前的目标是模拟一种摩擦－粘结材料的混凝土，而前人对混凝土的研究分析表明平行粘结可以模拟接触的2个颗粒之间的接触力和力矩［4－5］，所以本文采用平行粘结来建立数值模型。

通过对混凝土单轴压缩/拉伸的数值仿真［6］，标定混凝土在准静态条件下的弹性性质和强度性质的离散元细观力学参数。对混凝土在弹丸侵彻下的试验进行数值模拟研究，模拟不同弹丸速度下混凝土的动态力学响应，分析混凝土的非均质性对弹丸剩余速度和偏转角的影响。

1 Hanchak侵彻试验介绍

试验中靶板的尺寸及靶体中的钢筋分布位置如图1所示。靶板混凝土的单轴抗压强度为48 MPa，混凝土中的最大骨料粒径为9.5 mm，骨料莫氏硬度为 6.6。

由于Hanchak侵彻试验［7］时弹头冲击靶板正中央不接触钢筋，弹体侵彻后的残余速度受钢筋影响很小［8］，所以本文建立的靶板数值模型中没有考虑钢筋的作用。

图1 靶板几何尺寸

图2 子弹几何尺寸