灰色系统理论在动能弹侵彻混凝土靶体中的应用研究
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摘要
由于混凝土良好的性能,在防护工程中获得了广泛的应用。对混凝土介质的破坏可采用动能弹侵彻至预定深度,然后引爆装药,利用爆炸作用毁伤混凝土工事。但由于混凝土材料的非均匀、非线性特性等,使得动能弹侵彻混凝土靶体的准确分析成为冲击动力学领域较为复杂和困难的问题,引起了国内外同行的广泛关注。
目前对这一问题的研究方法可分为理论研究、试验研究和数值计算。理论研究虽能够对侵彻过程给出定性的解释,但对强烈的非线形问题无法给出准确的理论解；试验研究成本高,周期长,并且难以提供过程量,试验数据也存在较大的分散性；数值计算能够对动能弹侵彻过程进行较为详细的模拟,模拟结果的准确与否,不仅与算法有关,也与所采用的材料本构关系及参数有关,而由于混凝土材料的非连续性和非均匀性,现有的各种混凝土材料本构关系并不能完全真实反映侵彻过程中材料复杂的动态行为,导致计算结果精度或准确性不高。基于动能弹对混凝土靶体的侵彻机理尚不十分清楚以及混凝土材料的非连续性和非均匀性必然导致侵彻结果具有分散性的特点,可以将动能弹侵彻混凝土靶体看成是一个灰色系统。
本文研究了灰色系统理论在动能弹侵彻混凝土靶体中的的应用。通过数值计算定性和灰色关联分析定量确定混凝土HJC本构模型中参数的敏感性,并通过RFPA软件等方法和手段来确定HJC本构模型中敏感性参数的取值,以准确反映混凝土材料的力学性能,为动能弹侵彻混凝土介质侵彻毁伤数值计算提供支撑；通过应用灰色系统有关灰色关联分析和灰色关联聚类分析,对动能弹侵彻毁伤效应的影响因素进行优势分析即确定主要影响因素并对主要影响因素中的同类因素进行归类,在保证信息不受大的损失下减少系统的复杂性；结合对已有试验结果的分析,建立了动能弹侵混凝土靶体侵彻毁伤效应与主要影响因素之间的灰色模型GM(1,n),模型实现了对侵彻毁伤效应的灰色模拟与预测,通过实例计算表明,灰色GM(1,n)模型对动能弹侵彻混凝土靶体的毁伤效应的预测精度较高,为动能弹侵彻混凝土靶体提供了一种新的模拟和预测方法。
Concrete was used in a wide range of applications in the structures of military facilities because of its good performance. For the destruction of the concrete target, kinetic energy projectile can be used, which penetrating into concrete target to the desired depth, then detonated the explosive and use of energy of explosive to damage the target. However, due to the non-uniform and non-linear characteristics of the concrete, the accurate analysis of penetration for kinetic energy projectile against concrete target become more complex and difficult issues to the field of impact dynamics, also is attracted all national widespread concern.
Research methods currently can be divided into theory study, test study and numerical calculation. Theory study on the penetration process, although it can give a qualitative explanation, but can not give a theoretical solution for the strongly non-linear problems. Test study need high cost and long time, it is difficult to providing middle information, and the test result data is discrete. Numerical calculation can detailed simulate the penetration process, the accurateness of simulation results related not only with the algorithm, but also with the material constitutive relations and the used parameters. Due to the non-continuity and non-uniformity about the concrete materials, the existed concrete constitutive relations can't reflect the complex dynamic behavior of materials for the penetration process, this lead the calculation precision or accuracy is not high. Because of the mechanism of penetration of kinetic energy projectile against concrete target is not very clear, the non-continuity and non-uniformity of the concrete materials and discrete of penetration result data, penetration process for kinetic energy projectile against concret target can look as a grey system.
In this paper, application of the grey system theory on penetration for kinetic energy projectile against the concrete target was studied. The sensitivity parameters of the concrete HJC constitutive model were determined by numerical calculation qualitatively and grey relational analysis quantitatively. The values of the sensitive parameters about HJC constitutive model were determined by the RFPA software and other methods, it can reflect the mechanical properties of concrete materials accurately, and it can provide support for numerical calculation of penetration damage about the kinetic energy projectile penetrating into concrete target. By the application of grey relational analysis and grey relational clustering analysis, the main factors were determined and the congeneric main factors were classified, it can reduce the complexity of the penetration system. Combined with the analysis of existing experimental results, the grey simulation and prediction model GM (1, n) about damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target was set up, which can well and truly simulate and predict the penetration damage effects. By instances, the GM (1, n) model can predict damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target accurately, it can provided a new way to simulate and predict damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target.
目前对这一问题的研究方法可分为理论研究、试验研究和数值计算。理论研究虽能够对侵彻过程给出定性的解释,但对强烈的非线形问题无法给出准确的理论解；试验研究成本高,周期长,并且难以提供过程量,试验数据也存在较大的分散性；数值计算能够对动能弹侵彻过程进行较为详细的模拟,模拟结果的准确与否,不仅与算法有关,也与所采用的材料本构关系及参数有关,而由于混凝土材料的非连续性和非均匀性,现有的各种混凝土材料本构关系并不能完全真实反映侵彻过程中材料复杂的动态行为,导致计算结果精度或准确性不高。基于动能弹对混凝土靶体的侵彻机理尚不十分清楚以及混凝土材料的非连续性和非均匀性必然导致侵彻结果具有分散性的特点,可以将动能弹侵彻混凝土靶体看成是一个灰色系统。
本文研究了灰色系统理论在动能弹侵彻混凝土靶体中的的应用。通过数值计算定性和灰色关联分析定量确定混凝土HJC本构模型中参数的敏感性,并通过RFPA软件等方法和手段来确定HJC本构模型中敏感性参数的取值,以准确反映混凝土材料的力学性能,为动能弹侵彻混凝土介质侵彻毁伤数值计算提供支撑；通过应用灰色系统有关灰色关联分析和灰色关联聚类分析,对动能弹侵彻毁伤效应的影响因素进行优势分析即确定主要影响因素并对主要影响因素中的同类因素进行归类,在保证信息不受大的损失下减少系统的复杂性；结合对已有试验结果的分析,建立了动能弹侵混凝土靶体侵彻毁伤效应与主要影响因素之间的灰色模型GM(1,n),模型实现了对侵彻毁伤效应的灰色模拟与预测,通过实例计算表明,灰色GM(1,n)模型对动能弹侵彻混凝土靶体的毁伤效应的预测精度较高,为动能弹侵彻混凝土靶体提供了一种新的模拟和预测方法。
Concrete was used in a wide range of applications in the structures of military facilities because of its good performance. For the destruction of the concrete target, kinetic energy projectile can be used, which penetrating into concrete target to the desired depth, then detonated the explosive and use of energy of explosive to damage the target. However, due to the non-uniform and non-linear characteristics of the concrete, the accurate analysis of penetration for kinetic energy projectile against concrete target become more complex and difficult issues to the field of impact dynamics, also is attracted all national widespread concern.
Research methods currently can be divided into theory study, test study and numerical calculation. Theory study on the penetration process, although it can give a qualitative explanation, but can not give a theoretical solution for the strongly non-linear problems. Test study need high cost and long time, it is difficult to providing middle information, and the test result data is discrete. Numerical calculation can detailed simulate the penetration process, the accurateness of simulation results related not only with the algorithm, but also with the material constitutive relations and the used parameters. Due to the non-continuity and non-uniformity about the concrete materials, the existed concrete constitutive relations can't reflect the complex dynamic behavior of materials for the penetration process, this lead the calculation precision or accuracy is not high. Because of the mechanism of penetration of kinetic energy projectile against concrete target is not very clear, the non-continuity and non-uniformity of the concrete materials and discrete of penetration result data, penetration process for kinetic energy projectile against concret target can look as a grey system.
In this paper, application of the grey system theory on penetration for kinetic energy projectile against the concrete target was studied. The sensitivity parameters of the concrete HJC constitutive model were determined by numerical calculation qualitatively and grey relational analysis quantitatively. The values of the sensitive parameters about HJC constitutive model were determined by the RFPA software and other methods, it can reflect the mechanical properties of concrete materials accurately, and it can provide support for numerical calculation of penetration damage about the kinetic energy projectile penetrating into concrete target. By the application of grey relational analysis and grey relational clustering analysis, the main factors were determined and the congeneric main factors were classified, it can reduce the complexity of the penetration system. Combined with the analysis of existing experimental results, the grey simulation and prediction model GM (1, n) about damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target was set up, which can well and truly simulate and predict the penetration damage effects. By instances, the GM (1, n) model can predict damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target accurately, it can provided a new way to simulate and predict damage effect for penetration of kinetic energy projectile against concrete target.
引文
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