3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

陈洋; 王肇喜; 翟师慧; 盛鹏; 王者蓝; 朱明亮

doi:10.11883/bzycj-2023-0124

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

doi: 10.11883/bzycj-2023-0124

1.
上海航天精密机械研究所，上海 201600
2.
华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237

基金项目: 上海市曙光计划项目（21SG30）

详细信息

作者简介:
陈　洋（1994－　），男，硕士，工程师，chenyangwust@sina.com

中图分类号: O347.3
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-04-07
- 修回日期: 2023-11-30
- 网络出版日期: 2023-12-22
- 刊出日期: 2024-03-14

Peridynamic simulation of impact damage to 3D printedlattice sandwich structure

1.
Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China
2.
School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

摘要

摘要: 为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为，在近场动力学微极模型中引入塑性键，构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法，在验证模型准确性的基础上，模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明：低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主；高速冲击下，破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射，并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大，而高速冲击下则相反。高速冲击下，点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段，弹丸经历了急-缓-急3段减速过程，并对应2个加速度高峰，第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%；低速冲击过程中，弹丸仅有1次减速过程，加速度峰值随冲击速度的升高而增大，最终弹丸反弹。
- 点阵材料 /
- 夹芯结构 /
- 近场动力学 /
- 弹丸冲击 /
- 损伤破坏
Abstract: Lattice sandwich structures often exhibit discontinuous characteristics under impact, with damage behaviors involving multiple scales, from micro-scale cell fracture to macro-scale structural collapse. Traditional methods based on continuum mechanics have difficulty in accurately describing non-continuum problems such as material interfaces and fracture behavior, so usually they can only handle single-scale problems. Besides, lattice materials have complex geometric shapes, and mesh-dependent numerical methods such as finite element analysis may suffer mesh sensitivity and may even struggle to obtain an ideal mesh. In order to effectively simulate the damage behavior of 3D printed lattice sandwich structures under projectile impact, a lattice sandwich structure modeling method based on the theory of peridynamics and micro-polar model, and by considering plastic bonds, is proposed. The simulation results of uniaxial compression and large-mass low-speed impact tests are compared with experimental results to verify the accuracy of the peridynamics model for lattice sandwich structures. This model is then used to analyze the damage patterns and failure mechanisms of lattice sandwich panels under projectile impact from low to high velocities. The results show that under low-speed impact, the failure mode of 3D printed lattice sandwich structures is mainly localized plastic deformation, which causes small-scale fractures in the lattice structure near the impact location after arriving at a certain level of strain; while under high-speed impact, it usually exhibits collapse, hole piercing, and fragment ejection, accompanied by extensive plastic deformation. The plastic yield range of 3D printed lattice sandwich structures shows different patterns under high-speed and low-speed impacts, with the plastic deformation range increasing as the impact velocity increases under low-speed impact, and decreasing under high-speed impact. This is mainly influenced by the characteristics of the lattice structure and the material crack propagation during the impact process. Under high-speed impact, the process of projectile penetration will go through four stages; i.e., panel contact, local yield, core material compression, and penetration. Because the material characteristics at each stage are different, the projectile will experience a “sharp-slow-sharp” deceleration process featured by to two acceleration peaks, with the second peak value being 50% lower than the first. Compared with high-speed impact, the projectile under low-speed impact only experiences one deceleration process, and the peak acceleration increases with increasing impact velocity. When the plastic deformation and damage process of the lattice sandwich structure cannot fully dissipate the kinetic energy of the projectile, the release of elastic strain energy in the sandwich structure will cause the projectile to bounce back. The rebound speed in this study is less than 30% of the initial velocity. The research results can provide theoretical support and new analytical methods for the design and application of lattice materials.
- lattice materials /
- sandwich structures /
- peridynamics /
- projectile impact /
- damage and failure

HTML全文

冲击波作为爆破战斗部的主要毁伤方式之一，是评估武器毁伤威力的一项重要指标^[1]。毁伤威力评估时，需要对战斗部炸点周围的冲击波场进行分布式测量，同时要求多测点实现同步触发。实战环境下战斗部落点及起爆时刻具有一定的随机性，且战斗部爆炸前具有一定的速度，战斗部的运动速度会改变爆炸冲击波的压力场分布。传统的触发方法如断线触发^[2]、光触发^[3]、无线触发^[1]等均难以实现战斗部实战环境下冲击波超压的可靠触发，因此对战斗部动爆压力场的特性分析主要是通过仿真计算，并结合少量试验数据结果和爆炸相似律获得经验公式^[4-6]，缺少实战环境下的试验研究。

本文中，提出了一种基于地震波可靠触发的战斗部空中爆炸冲击波超压测试方法，对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波进行了测试分析。结果表明，基于地震波信号触发测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。试验成果可为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供依据。

1. 基于地震波触发的冲击波超压测试系统

1.1 基于地震波触发的冲击波超压测试系统

为了验证基于地震波实现冲击波超压测试触发的可行性，设计了基于加速度信号触发的冲击波超压测试系统并进行了试验。测试系统主要包括传感器、信号调理电路、电源管理、无线通信和信号采集存储等五部分，测试系统组成如图1所示。进行冲击波超压测试时，信号调理电路对传感器获得的冲击波超压信号进行滤波、降噪，在进入FPGA (field programmable gate array)之前进行信号有无和是否达到触发阈值的判断，A/D控制模块将模拟信号转为数字信号后存储在外部同步动态存储器(synchronous dynamic random-access memory, SDRAM)中，最后通过USB (universal serial bus)或无线通信模块将数据上传到上位机上，在上位机上完成数据最终的显示、分析和处理。

图 1 测试系统

Figure 1. Test system

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1.2 基于地震波信号的冲击波测试触发原理

基于地震波信号的冲击波超压测试触发方法借助配置在各冲击波超压测试节点上的加速度计与信号调理电路，利用地震波传播速度比冲击波传播速度快的特点，在冲击波到达各测试节点之前，提前感应到的加速度信号，经专用调理电路处理后，触发该测试节点的冲击波超压信号存储。其触发原理如图2所示，冲击波超压信号采集缓存区划分为循环采集和时序采集两部分，通过加速度信号启动冲击波超压信号的循环采集完成第1步触发，通过预设超压阈值的比较进行第2步触发，满足触发条件时，立即固化循环采集区，并开始冲击波超压的时序采集。

图 2 地震波触发冲击波超压测试原理

Figure 2. The principle for measuring shock wave overpressure triggered by seismic wave

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爆炸时，形成以炸点为中心向四周传播的地震波，地震波传播速度最快的是纵波，其使地面发生上下振动，在地壳中的传播速度： ${u_0}$ =5.5～7 km/s。

（1）根据金尼-格雷厄姆公式，计算冲击波超压峰值( ${p_{\rm{p}}}$ ，MPa)：

$\dfrac{{p}_{\rm{p}}}{{p}_{\rm{air}}}=\dfrac{808\left[1+{\left(\dfrac{{f}_{\rm{d}}R}{4.5}\right)}^{2}\right]}{\sqrt{1+{\left(\dfrac{{f}_{\rm{d}}R}{0.048}\right)}^{2}}\sqrt{1+{\left(\dfrac{{f}_{\rm{d}}R}{0.032}\right)}^{2}}\sqrt{1+{\left(\dfrac{{f}_{\rm{d}}R}{1.35}\right)}^{2}}}{, }\;\;\;\;{f}_{\rm{d}}=\sqrt[{3}]{\dfrac{{p}_{\rm{air}}}{{p}_{\rm{0}}}\dfrac{{T}_{\rm{0}}}{{T}_{\rm{air}}}}$

(1)

式中： $R$ 为比例距离，是观测点到距爆炸中心的距离r（m）与炸药TNT当量W（kg）的立方根之比，即 $R = r/\sqrt[{3}]{W}$ ，本文中 $0.053\;{\rm{ m/k}}{{\rm{g}}^{1/3}} \text{≤} R \text{≤} 500\;{\rm{ m/k}}{{\rm{g}}^{1/3}}$ ； ${p_{{\rm{air}}}}$ 为试验现场大气压； ${p_{\rm{0}}}$ 为标准大气压， ${p_{\rm{0}}} =$ $101.325\;{\rm{kPa}}$ ； ${T_{{\rm{air}}}}$ 为试验现场大气温度； ${T_{\rm{0}}}$ 为标准大气温度， ${T_{\rm{0}}} = 288.16\;{\rm{K}}$ 。

（2）根据Rankine-Hugoiot方程，爆炸点空气冲击波传播速度 $u$ 与冲击波超压峰值 ${p_{\rm{p}}}$ 之间的关系为：

$u = \sqrt {\left(\frac{{{p_p}}}{{{p_0}}} \times \frac{{\gamma + 1}}{{2\gamma }}\right) + 1} \cdot {c_0}$

(2)

式中： ${p_{\rm{0}}}$ 为大气压， $\gamma$ 为空气的比热比， ${c_{\rm{0}}}$ 为波阵面前的空气声速。

（3）冲击波和地震波传播到观测点的平均时间差 $\Delta t$ 为：

$\Delta t = r\left( {\frac{1}{u} - \frac{1}{{{u_0}}}} \right)$

(3)

联立式（1）～（3）可得不同观测距离处冲击波传播平均速度及其与地震波传播平均时间差的关系，如图3所示。由图3（a）可以看出，冲击波超压值随爆距的增大而减小，当距离 $r \text{≥} 5\;{\rm{m}}$ 时，冲击波的传播平均速度 $u \text{≤} 995\;{\rm{m}}/{\rm{s}}$ ，该值远小于地震波的传播速度；由图3（b）可以看出，当距离 $r \text{≥} 5\;{\rm{m}}$ 时，冲击波与地震波传播到观测点的平均时间差 $\Delta t \text{≥} 4.1\;{\rm{ms}}$ ，而地震波信号触发该测点的冲击波信号只需要几十微秒，在该时间差内能够完成触发该测试节点的冲击波信号的存储。因此，当等效TNT装药量不大于100 kg、爆心距不小于5 m时，可以通过安装在测试终端的加速度计采集地震波信号，作为冲击波超压测试的可靠触发信号。

图 3 冲击波超压峰值和传播时间差随距离的变化

Figure 3. Variation of shock wave overpressure peak and propagation time difference with distance

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图4是弹丸爆炸时在距爆心5 m处获取的加速度和冲击波超压信号，可以看出加速度信号的触发阈值先于冲击波信号到达测试节点，提前时长为12.42 ms，这进一步验证了基于地震波信号的冲击波测试触发方法原理的可行性。

图 4 试验测试的加速度曲线和超压峰值曲线

Figure 4. Test curves of acceleration and shock wave overpressure peak

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2. 运动战斗部爆炸冲击波特性分析

2.1 动爆试验测试设置

为分析不同速度战斗部爆炸时冲击波场的分布规律，建立分布式动爆试验测试系统，采用球形裸装药，装药量为1.2 kg。比例距离R分别为4.71、9.41和14.12 m/kg^1/3，战斗部着靶速度v₀分别为0、535和980 m/s，火炮火药发射获得着靶速度，距目标炸点50 m处顺序放置4台天幕靶，每台间隔20 m，通过区截法获取弹丸在天幕靶处的飞行速度，再结合炮口靶获取的出炮口速度以及制式弹的外弹道模型，计算出目标炸点处弹丸速度。采用模块装药，速度为535和980 m/s弹丸的装药分别为3×B模块和6×B模块，每个B模块装药2.35 kg，引信采用瞬触发引信。战斗部与地靶平面的水平夹角β为45°，测点分布如图5所示，以爆炸中心为原点，建立三维坐标系Oxyz，分别在地靶平面距爆心5、10、15 m处安装冲击波超压测试装置。在Oxy平面上（即地靶平面），爆心到测试点的连线与x轴的夹角为θ，受试验条件限制，共24个测点。理论上测点越多，对爆炸冲击波的重建越有利。

图 5 战斗部爆炸测点分布

Figure 5. Measuring points of blasting warhead explosion

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2.2 爆炸冲击波特性分析

图6为比例距离R=4.71 m/kg^1/3时不同方向上测得的冲击波超压时域曲线。由图6可知，以静爆条件下（v₀=0 m/s）的冲击波超压时域曲线为参照，当θ=0°时，动爆冲击波超压远高于静爆冲击波超压；当θ增大到45°时，动爆冲击波超压有所下降，但是仍然高于静爆冲击波超压；当θ增大到90°时，动爆冲击波超压继续降低，v₀对冲击波超压的影响变小，不同速度战斗部爆炸的冲击波超压趋于一致，与静爆冲击波压力相当；随着θ的进一步增大，动爆冲击波压力进一步降低，开始低于静爆冲击波压力；当θ增大到180°时，测点处于与战斗部速度完全相反的方向，为压力最低点，此时的冲击波超压远低于静爆冲击波超压。此外，在动爆冲击波超压高于静爆冲击波超压的方向上，即θ在0°～90°和270°～360°范围内时，v₀越大，压力越高，冲击波到达时间越短；相反地，在动爆冲击波超压低于静爆冲击波超压的方向上，即θ在90°～270°范围内时，v₀越大，压力越低，冲击波到达时间越长。

图 6 不同方向的冲击波超压时域曲线

Figure 6. Shock wave overpressure-time curves in different directions

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读取冲击波的超压峰值，得到不同速度战斗部的爆炸冲击波超压峰值对比曲线，如图7所示。由图7可知：（1）比例距离相同时，战斗部爆炸的冲击波超压峰值随θ的增大近似呈余弦衰减，当θ=0°时，超压峰值最大，θ=180°时，超压峰值最小，并且战斗部着靶速度v₀越大，超压峰值衰减得越快；（2）以静爆冲击波超压峰值为参照，在与战斗部速度方向相同的区域（0°～90°和270°～360°），动爆冲击波存在较大的压力升，超压峰值大于静爆状态下的超压峰值，使得冲击波场呈现出局部高压区，而在与战斗部速度方向相反的区域（90°～270°），则存在较大的压力降。由此，可将运动战斗部的爆炸冲击波场分为压力升和压力降两个区域，分界点大约在θ=90°处。

图 7 不同速度战斗部的冲击波超压峰值曲线

Figure 7. Shock wave overpressure peak curves of the blasting warheads with different velocities

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根据战斗部动爆冲击波超压峰值p_p,d与战斗部相对靶平面的速度 $v'_0$ 及静爆冲击波超压峰值p_p,s的关系^[4]：

$\frac{{{p_{{\rm{p}},{\rm{d}}}}}}{{{p_{{\rm{p}},{\rm{s}}}}}} = {\left( {1 + \frac{{0.3}}{{1 + R}}\frac{{v'_0}}{{{c_0}}}\cos \theta } \right)^2}$

(4)

战斗部在靶平面的投影速度 $v'_0$ 为：

$v'_0 = {v_0}\;{\rm{cos}}\;\beta$

(5)

由式（1）、（4）、（5）联合可得战斗部动爆冲击波超压峰值的经验公式计算值，实测战斗部动爆冲击波超压峰值p_p,e与经验公式计算结果p_p,d对比如表1所示，其中ε=(p_p,e−p_p,d)/p_p,e。由表1可知，实测战斗部静爆冲击波超压峰值与经验公式计算结果一致性较好，除个别点外，实测战斗部动爆冲击波超压峰值与理论值较为接近，相对误差小于20%，且相对误差随着战斗部速度的增大而增大。此外，越靠近战斗部运动方向轴线（θ=0°和θ=180°）的实测冲击波超压峰值相对误差越大，垂直于战斗部运动方向轴线（θ=90°和θ=270°）的实测冲击波超压峰值相对误差较小。

表 1 试验结果与理论值对比

Table 1. Comparison between experimental and theoretical results

R/（m·kg^−1/3）	θ/（°）	v₀=0 m/s			v₀=535 m/s			v₀=980 m/s
R/（m·kg^−1/3）	θ/（°）	p_p,e/kPa	p_p,d/kPa	ε/%	p_p,e/kPa	p_p,d/kPa	ε/%	p_p,e/kPa	p_p,d/kPa	ε/%
4.71	0	321.39	317.35	1.26	434.86	355.57	18.23	483.16	389.02	19.48
	45	343.49	317.35	7.61	384.34	344.15	10.46	392.65	367.28	6.46
	90	342.92	317.35	7.45	285.10	317.35	−11.31	288.32	317.35	−10.07
	135	335.52	317.35	5.41	270.90	291.64	−7.65	258.87	271.08	−4.72
	180	320.94	317.35	1.12	228.45	281.30	−23.14	187.89	252.98	−34.64
	225	294.20	317.35	−7.87	261.93	291.64	−11.34	215.23	271.08	−25.95
	270	296.57	317.35	−7.01	285.98	317.35	−10.97	294.97	317.35	−7.59
	315	319.73	317.35	0.74	368.50	344.15	6.61	402.27	367.28	8.70
9.41	0	112.04	104.86	6.41	127.36	111.70	12.30	149.08	117.54	21.15
	45	110.61	104.86	5.19	110.62	109.67	0.86	118.86	113.76	4.30
	90	100.10	104.86	−4.76	96.52	104.86	−8.65	96.21	104.86	−9.00
	135	103.81	104.86	−1.02	88.96	100.16	−12.59	86.69	96.34	−11.13
	180	106.88	104.86	1.89	90.35	98.25	−8.75	75.88	92.91	−22.44
	225	102.12	104.86	−2.69	94.81	100.16	−5.64	88.06	96.34	−9.40
	270	98.28	104.86	−6.70	99.25	104.86	−5.66	98.10	104.86	−6.90
	315	111.00	104.86	5.53	118.45	109.67	7.41	123.47	113.76	7.86
14.12	0	63.87	63.04	1.31	74.87	65.85	12.05	78.23	68.24	12.77
	45	63.23	63.04	0.30	66.35	65.02	2.01	69.56	66.69	4.12
	90	57.72	63.04	−9.21	59.16	63.04	−6.55	59.03	63.04	−6.78
	135	59.08	63.04	−6.70	57.75	61.08	−5.78	50.63	59.48	−17.48
	180	60.51	63.04	−4.17	51.72	60.28	−16.56	45.73	58.04	−26.91
	225	57.75	63.04	−9.16	53.69	61.08	−13.77	48.06	59.48	−23.77
	270	57.78	63.04	−9.10	59.52	63.04	−5.92	57.52	63.04	−9.58
	315	64.73	63.04	2.61	69.42	65.02	6.34	73.98	66.69	9.85

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2.3 爆炸冲击波场重建

以表1中的冲击波超压峰值为插值点，利用MATLAB数据处理软件的薄板样条插值方法（thin-plate-spline interpolation）对实测数据进行插值（该插值方法可以使得三维超压曲面弯曲能量最小），得到战斗部速度分别为0、535、980 m/s的爆炸冲击波超压峰值场分布和等压曲线，如图8～10所示。由图8可知，战斗部静爆冲击波超压峰值在各个方向基本相同；由图9～10可知，战斗部动爆冲击波超压峰值在战斗部运动速度方向增强，在战斗部运动相反方向减弱，且战斗部速度越大，增强和减弱的程度越大。

图 8 战斗部速度为0 m/s的冲击波超压峰值场分布

Figure 8. Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 0 m/s

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图 9 战斗部速度为535 m/s的冲击波超压峰值场分布

Figure 9. Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 535 m/s

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图 10 战斗部速度为980 m/s的冲击波超压峰值场分布

Figure 10. Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 980 m/s

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3. 结　论

提出了一种基于地震波可靠触发的战斗部空中爆炸冲击波超压测试方法，并对速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波进行了测试研究，通过测试结果和经验公式计算值的对比分析，以及重建的战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型，可以得出以下结论：

（1）本文中提出的测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值；

（2）战斗部动爆冲击波超压峰值在战斗部运动速度方向增强，在战斗部运动相反方向减弱，且战斗部速度越大，增强和减弱的程度越大。

图 1 近场动力学质点之间的相互作用

Figure 1. Interaction between particles in peridynamics

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图 2 微极模型

Figure 2. Micro-polar model

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图 3 点阵材料夹芯结构的近场动力学模型构建方法

Figure 3. Construction method of peridynamic model for lattice material sandwich structure

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图 4 点阵材料夹芯结构近场动力学模型算法流程

Figure 4. Algorithm flow of lattice sandwich structure modeling method based on peridynamics

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图 5 标准试件（单位：mm）

Figure 5. Standard test specimen (unit: mm)

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图 6 单轴压缩数值模拟结果

Figure 6. Uniaxial compression simulation results

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图 7 试件的名义应力-应变曲线

Figure 7. Nominal stress-strain curve of the specimen

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图 8 大质量落锤冲击试验系统

Figure 8. Large mass drop hammer impact test system

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图 9 低速冲击后标准试样的破坏形态

Figure 9. Structural failure modes of standard test specimen after low-speed impact

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图 10 落锤冲击加速度峰值

Figure 10. Peak impact acceleration of drop hammer

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图 11 弹丸冲击点阵材料夹芯结构模型示意图（单位：mm）

Figure 11. Schematic diagram of a projectile impacting on the lattice material sandwich structure model (unit: mm)

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图 12 弹丸冲击作用下点阵材料夹芯结构的破坏形态和损伤云图

Figure 12. Failure modes and damage of lattice material sandwich structure under projectile impact

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图 13 弹丸冲击后点阵材料夹芯结构的等效塑性应变云图

Figure 13. Equivalent plastic strain distribution of lattice material sandwich structure after projectile impact

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图 14 弹丸贯穿过程

Figure 14. Penetration process of projectile perforation

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图 15 高速冲击过程中弹丸的速度曲线

Figure 15. Velocity curves of projectile during high-speed impact process

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图 16 高速冲击过程中弹丸的加速度曲线

Figure 16. Acceleration curves of projectile during high-speed impact process

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图 17 低速冲击过程中弹丸的速度时程曲线

Figure 17. Velocity curves of projectileduring low-speed impact process

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图 18 低速冲击过程中弹丸的加速度时程曲线

Figure 18. Acceleration curves of projectileduring low-speed impact process

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表 1 Ti6Al4V的材料参数

Table 1. Material parameters of Ti6Al4V

ρ/(kg∙m⁻³) E/GPa ν σ₀/MPa s₀

4430 113 0.34 880 0.12

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参考文献(20)

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