鋼管混凝土在高層建筑和橋梁中已得到較廣泛應用，但對于其抗侵徹方面的研究目前還較少。甄明等采用 12.7mm 穿甲彈進行了外徑 140mm、壁厚 3.5mm、靶厚 300mm 鋼管混凝土厚靶侵徹試驗；運用 Ansys/Ls-dyna 軟件，彈丸按鋼芯、銅皮、鉛套完整彈建模，對試驗內容進行了相應數值模擬，并探索了外徑和壁厚對鋼管混凝土靶體抗侵徹性能的影響。研究表明，鋼管約束混凝土具有優越的抗侵徹性能。
為提高計算效率，本文在文獻[4]的基礎上，刪去了數值計算模型中彈丸的銅皮和鉛套部分，僅按剛性鋼芯建模，對鋼管混凝土侵徹試驗部分工況進行了數值模擬，對比分析了鉛套和銅皮對彈丸侵徹鋼管混凝土在侵深和靶體損傷等方面的影響，表明本文彈丸模型簡化合理可行。
1 計算模型及材料模型
為保證對比的有效性，本文彈、靶計算模型及材料模型與文獻[4]一致?？紤]對稱性仍取實體模型的1/2 進行建模，在對稱面上定義對稱邊界條件來約束網格節點的自由度彈丸為 12.7mm 穿甲燃燒彈，其完整結構如圖 1 所示，在本文中僅保留鋼芯來進行數值模擬。鋼芯采用剛體材料模型，密度為 7850 kg/m3，泊松比取 0.3。鋼管混凝土靶厚 300mm，外徑 140mm，鋼管壁厚 3.5mm。采用傳統Lagrange網格與光滑粒子相結合的方法建模，靶體混凝土在以彈著點為中心，半徑為25mm的圓柱形區域內采用間距 1.5mm 光滑粒子，如圖 2 所示?！緢D1-2】
靶體混凝土采用連續帽蓋模型，模型中兩個關鍵參數單軸抗壓強度和最大骨料粒徑仍分別取48.9Mpa 和 8mm。鋼管采用彈塑性隨動硬化材料模型，模型參數同文獻[4]。彈丸鋼芯與光滑粒子區之間采用點-面侵蝕接觸?；炷?Lagrange 網格區與光滑粒子區之間采用點-面連接接觸，與鋼管內壁接觸面按固結處理，不考慮滑移。
2 數值模擬結果及分析
參考文獻[4]試驗結果，利用上面確定的計算模型和材料模型，對彈著點為靶體迎彈面中心、侵徹速度分別為 540.9m/s 和 833.3m/s 以及彈著點偏心 15mm、侵徹速度為 838.2m/s 的三種侵徹工況分別進行了完整彈侵徹和鋼芯侵徹數值模擬，各工況最終侵深和漏斗坑大小如表 1、2 所示?！颈?.表2】
由表可知，彈丸有無鉛套和銅皮對靶體最終侵深和漏斗坑大小影響很小。在完整彈丸侵徹情況下，由于總質量較大，彈丸總動能較大，且銅皮和鉛套先作用于混凝土會對其造成預損傷，因此靶體的最終侵深和漏斗坑較大，但跟僅利用鋼芯侵徹情況相比總體誤差都在 5%以內。圖3給出了中心侵徹、速度為540.9m/s工況下靶體的最終損傷云圖。由圖可知，利用完整彈丸侵徹和僅利用鋼芯侵徹靶體混凝土損傷情況基本一致，二者混凝土內部損傷程度和范圍以及環向主裂紋位置差別很小，靶體背面混凝土基本不受影響。圖 4 和圖 5 分別給出了中心侵徹、速度為 540.9m/s 工況下彈芯的位移時程曲線和速度時程曲線。由圖可知，鋼芯的運動基本上都經歷了勻速、減速和回彈三個階段，在彈丸有鉛套和銅皮情況下，靶體混凝土因受到預損傷從而對彈芯施加阻力較小，彈芯位移較大，速度減小較快?！緢D3-5】
為研究鋼管對混凝土的約束作用，提取中心侵徹、速度 540.9m/s 工況下鋼管內壁不同位置單元的徑向應力時程曲線，對其徑向應力變化情況進行分析。所提取單元位置分布如圖 6 所示，徑向應力時程曲線如圖 7 和圖 8 所示。由圖可知，在完整彈丸侵徹和僅利用鋼芯進行侵徹兩種情況下，鋼管內壁相應單元都產生了徑向壓應力，且從迎彈面到靶體背面依次減小。A、B、C、D 四點處單元在兩種情況下的徑向壓應力大小和波動規律基本一致，其中 A、B 處單元因離混凝土損傷區較近，其應力曲線均表現為一個明顯的上升階段和一個穩定階段，而 C、D 處單元應力曲線則一直較平緩。以 A 點單元為例進行應力分析：彈丸接觸混凝土后產生彈性壓縮波，壓縮波在達到鋼管壁后會反射成拉伸波，二者作用重合，導致應力曲線呈振蕩變化狀態。在有鉛套和銅皮作用情況下，彈體由于材質不同且能量較大，又因建模時混凝土與鋼管壁之間采用的是固結處理，故應力曲線在 30 處會出現一個較小的拉力峰值。隨著彈丸侵深的增加，前一侵徹階段混凝土會逐步形成漏斗坑或隧道區，混凝土因受擠壓作用減小產生形變恢復，從而對鋼管壁產生拉力，故應力曲線在達到最大值后呈減少趨勢。同樣，在有鉛套和銅皮作用情況下，因彈丸體積較大，侵徹混凝土后留下的穿透空間較大，混凝土形變恢復時產生較大回復拉力，因此 A 點處單元最大徑向壓應力比無鉛套和銅皮的情況下小，但兩種情況下的最終徑向應力值差別不大?！緢D7-8】
3 結論
本文在文獻[4]試驗和數值模擬研究基礎上，簡化彈體模型，僅利用彈芯進行小直徑鋼管約束混凝土侵徹數值模擬。結果顯示：靶體的最終侵深、漏斗坑形狀以及混凝土內部損傷和環向裂紋與彈體有無鉛套和銅皮關系不大，因此在針對侵深等特定對象進行數值研究時，可以按照本文的思路設計彈丸模型，提高效率，減少工作量。
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