刚性弹丸对板材的侵彻分析（ABAQUS 6.16帮助文档第2.1.3节）
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关键词：冲击 失效模型 无限元 Abacus/Explicit
传送门：第2.1.4节 弹丸冲击侵彻平板
本示例模拟了刚性球形弹丸以1000米/秒的速度斜向冲击装甲平板。该板应用了失效模型，从而允许弹丸穿透板。本示例涉及冲击、渐进破坏和无限元的使用。
一、问题描述
装甲板的厚度为10 mm，与弹丸相比，板的尺寸假定为半无限大，通过在板的周边使用CIN3D8无限元来实现。该板包括4480个C3D8R单元。装甲板材料的杨氏模量为206.8GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，屈服应力为1220MPa，硬化斜率恒定为1220MPa。材料应用渐进失效模型（progressive failure model），从而Abaqus/Explicit将删除发生失效的网格单元。假设失效发生在100%的等效塑性应变下，此时网格单元将被立即删除。（失效应变的值是随意选择的，并不模拟任何特定材料。）
球体（弹丸）的直径为20mm，假设为刚性，其为均一材质，密度为37240 kg/m3。假设球体和板之间没有摩擦，由此模型中无需设置球体的转动惯量。
通过施加边界条件来约束球体在y方向上的运动。测试了两种球面建模方法：（1）使用解析刚性表面和使用R3D4刚性单元。就精度和计算性能方面而言，解析刚性表面是表达简单刚性几何形状的首选方法。然而，在实践中出现的更复杂的三维表面几何形状必须使用由网格单元形成的表面进行表达。对C3D8R单元的截面控制规则进行修改。对于该问题建议使用centroid kinematic formulation以及线性组合的刚度和粘性沙漏控制。还给出了其他运动学规则和沙漏控制的组合示例，以供对比。
在x–z平面中设置适当的对称边界条件，对装甲板仅截取一半进行建模即可。模型如图2.1.3–1所示。为了方便查看，对整个球体（弹丸）进行了建模。模型中共有17094个自由度。
由于板的网格单元将会逐渐失效并从模型中删除，板内部的网格节点将暴露而与刚性球体（弹丸）的表面接触。因此，必须在球体表面（定义为基于网格单元的面【element-based surface】）和包含板中位于碰撞点半径20mm范围内的所有节点的表面（定义为基于网格节点的面【node-based surface】）之间建立接触关系（contact）。（参见“Eroding projectile impacting eroding plate,” Section 2.1.4，以了解基于网格单元的面用于模拟侵蚀的示例），首选地，在inp文件中，通过“接触对”（contact pairs）来建立球体表面与其他节点集之间的接触关系。此外，还给出了使用“通用接触算法”建立接触关系的inp文件。
二、结论
球形弹丸以1000米/秒的速度、从与平板法线呈30°角的方向冲击平板。不同阶段的变形情况如图2.1.3–2至图2.1.3–4所示，其中截面控制选项采用了centroid kinematic 和combined (viscous-stiffness form) hourglass （参考分析例pl3d_erode_ccs.inp）。在冲击分析的早期，如图2.1.3–2所示，板表面相对少量的材料已被侵蚀，板正在发生变形。在图2.1.3–3中，板已穿孔，但弹丸仍与孔边缘存在接触。在图2.1.3–4中，弹丸已经远离板，并以恒定速度运动。图2.1.3–5和图2.1.3–6显示了弹丸速度的变化过程（不同曲线对应了不同的截面控制规则，参考表2.1.3–1 ）。其中采用不同的截面控制规则所得出的分析结果高度一致。
在图2.1.3-2至图2.1.3-4中，通过Abaqus/CAE显示设置，仅显示了有效网格单元，而移除了失效单元的相应显示。
Table 2.1.3–1 不同截面控制规则的分析结果比较
图 2.1.3–1 未变形网格单元
图 2.1.3–2 在10微秒时的变形情况 (网格单元控制选项为 centroid kinematic 和 combined hourglass )
图 2.1.3–3 在30微秒时的变形情况 (网格单元控制选项为 centroid kinematic 和 combined hourglass )
图 2.1.3–4 在40微秒时的变形情况 (网格单元控制选项为 centroid kinematic 和 combined hourglass ).
图 2.1.3–5 弹丸速度的垂直分量
图 2.1.3–6 弹丸速度的水平分量.
三、inp 文件：（右键超链接，选择另存为可直接下载相应inp文件）
Model using the CENTROID kinematic and COMBINED hourglass section control options.
Model using the CENTROID kinematic and COMBINED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using the CENTROID kinematic and ENHANCED hourglass section control options.
Model using the CENTROID kinematic and ENHANCED hourglass section control options and the general contact capability.
External file referenced in this input.
External file referenced in this input.
Model using the default section controls.
Model using the default section controls and the general contact capability.
Model using the default section controls and the *ADAPTIVE MESH option.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and COMBINED hourglass section control options.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and COMBINED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and ENHANCED hourglass section control options.
Model using the ORTHOGONAL kinematic and ENHANCED hourglass section control options and the general contact capability.
Model using an analytical rigid surface and the default section controls.
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