建立破片损伤模型的方法优化

破片损伤模型由破片和人体躯干组成,以cm-g-μs单位制建立,如图7.1所示。

图7.1　破片损伤模型

将破片划分为六面体网格,并采用Lagrange算法。由于破片对心脏的损伤是使人致命的关键因素,因此,本书用破片射击心脏来研究破片对人体躯干的损伤,射击部位位于心脏正前方的人体躯干中线上。破片与人体躯干组织器官之间的接触方式为面面侵蚀接触(*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。

为准确模拟破片在人体躯干中的运动过程,需要在破片射击部位对人体躯干模型进行局部网格加密,加密后的网格数量为730万左右,如果采用2个CPU求解,且求解时间(计算终止时间)为1 ms,则计算时间约230 h(约10天)。如果在破片击穿人体躯干后终止计算,且求解时间预计在5 ms以上,则计算时间预计在1 150 h(约48天)以上。若人体网格变形过大,则计算时间会更长。本书以破片击入心脏为人体致命损伤的判据,则研究破片在心脏后方的运动规律没有太大的意义。同时,考虑到计算规模的原因,只在破片射击部位对心脏前方的组织器官模型和心脏模型进行局部网格加密,并在破片击穿心脏后终止计算。加密区网格尺寸为0.6 mm左右,加密后的网格数量为495万左右,如果采用2个CPU求解,且求解时间为1 ms时,则计算时间约69 h(约3天)。

在破片(除手枪弹)射击人体躯干的过程中,不考虑破片的变形,故采用刚体材料模型*MAT_RIGID,计算中只需要定义破片的密度。

根据GA 141—2010《警用防弹衣》标准,选择三级防弹下的手枪弹进行研究,枪弹类型为1951年式7.62 mm手枪弹,弹头结构为圆头铅芯、覆铜钢被甲,长度为13.8 mm,直径为7.80 mm,质量为5.60 g,初速度为(515±10)m/s。手枪弹采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和*EOS_GRUNEISEN状态方程,材料参数如表7.1所示。JOHNSONCOOK本构模型考虑了材料在大变形、高温、高压和高应变率下的动态行为,其屈服应力的表达式为

表7.1　钢被甲和铅芯的材料参数

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式中,A为屈服应力;B为应变硬化系数;n为应变硬化指数;c为应变率相关系数;m为温度相关系数;ε-p为等效塑性应变;ε·*=ε-·/ε0·为无量纲等效塑性应变率,其中ε0·为参考应变率;T*=(T-Troom)(Tmelt-Troom)为相对温度,其中Troom为室内温度,Tmelt为熔化温度。

JOHNSON-COOK损伤模型表明了不同参数的相对影响,同时它通过累积损伤考虑了变形过程中的相关路径。该模型采用了一个与应变、应变率、温度和压力相关的常数值,断裂应变为

式中,σ*=p/σeff;σeff为Von Miese等效应力。当破坏参数D=达到1时,发生破坏。

Gruneisen状态方程将压缩材料的压力定义为

将膨胀材料的压力定义为

式中,C为vs-vp(冲击波速度-质点速度)曲线的截距;S1、S2和S3为vs-vp曲线的斜率系数;γ0为Gruneisen常数;a为对γ0的一阶体积修正;E为材料内能;μ=ρ/ρ0-1;ρ0为材料的初始密度。