文摘

钢丝网从高强度钢丝编织被短程用作贴花防攻击武器。在这项研究中,链线网的机械行为在弹头的压力下被准静态实验和模拟研究。首先,新钻机,弹头设备,和线网的设计;进行了压力测试;和变形,断裂的线网,和压力与位移曲线获得和分析。然后,数值方法和有限元(FE)模型开发,考虑钢丝之间的联系的内在联系,联系人之间的弹头和线网的网,和钢丝断裂的材料。通过与实验数据的比较,数值方法和有限元模型是可靠的预测行为的钢丝网在弹头的压力下。最后,线网规模的参数和网格角度进一步研究通过使用验证数值方法和有限元模型,和建议的初始设计钢丝网进行了讨论。

1。介绍

钢丝网由钢丝编织三维金属织物结构,以及各种线网与不同的织物技术开发(图和几何特性1),比如链线网与菱形或环特性,加捻线与六角网的特性,并与矩形焊接钢丝网功能。因为他们的轻盈和独特的机械性能相比,钢板或其他保护装置(1,2),钢丝网已经使用在许多工程应用。在自然风险保护系统中,钢丝网作为关键部件落石保护壁垒(3,4),边坡加固(5),和地面支持系统(6]。在薄壁安全屏幕,钢丝网作为安全屏幕门和窗口烤架对未经授权的入侵和风载的碎片的影响(7,8]。防护工程中的应用,采用钢丝网加固混凝土板保护它免受爆炸和弹丸的影响(9,10]。增加强度和延性的钢丝,钢丝网由高强度钢丝被用作贴花盔甲(图2)等短程武器攻击步枪榴弹(rpg)、迫击炮、重机枪[11,12]。

许多先前的研究线网的静态力学性能进行了高强度钢丝编织,这些研究主要集中在自然灾害保护现场和模拟负载由浅层滑坡和岩石块影响条件下,推导出包括准静态平面拉伸实验(13,14),准静态平面外压力试验(15,16],和补充数值模拟[17- - - - - -19]。图3显示骨折线网的短程武器攻击和刚性弹头冲击速度较低(12,20.]。线网的接触面积的影响短程武器或刚性弹头仅限于一个网格,这种现象是不同于那些在研究模拟浅层滑坡和落石。提高线网的效率在拦截短程武器,钢丝网的静态力学行为准静态压力从弹头是一个基础研究工作,这是很重要的初始设计的钢丝网通过短程武器抵抗攻击。到目前为止,人们却很少关注的力学行为链线网在准静态压力下弹头。由于上述的研究空白,这篇文章的目的是三倍,如下:

(我)设计并进行准静态实验的钢丝网加压弹头基于短兵器攻击测试结果和刚性弹头冲击测试,然后研究线网的力学行为。

(2)开发的数值方法和有限元(FE)模型来模拟弹头的钢丝网加压和验证数值模拟的结果与实验数据相比之下。

(3)讨论钢丝网尺寸和网格角度通过有限元模拟,然后讨论钢丝网的初始设计的建议。

2。实验方法

几个测试平台钢丝网在平面外的压力下开发(6,15,16]。不同于之前的出平面压力测试平台用于钢丝网,一个新的测试平台(图4(一))了。新平台可以应用要求的钢丝网,以避免任何可能的凹陷在初始测试阶段。钻井平台的高度是1.5米,长度和宽度的平台 m。低的部分钻机是由4面表和4焊接,连接到反作用力凹槽,中间部分的钻机由12焊接,和上层部分(图4 (b))的钻井平台由滑动连接和u形连接器。矩形钢丝网约 米可以安装在钻机上使用u形连接器。的x,y,z位移的钢丝网可以制约连接器,然后滑动连接可以轻微的要求适用于导线网的测试开始之前。

根据短程武器(图的形状和尺寸5),口径107毫米的弹头设备设计和图所示6,包括弹头,支持和凸缘板。弹头被忽略的充电和内部结构,以及均匀弹头装置是由304不锈钢材料。支持旨在延长弹头和施加垂直力和凸缘板设计为连接到液压压。

因为内部交叉连接的线网由高强度钢丝编织无法固定的电焊或钎焊填充金属(21),织物技术涉及一个松散的连接类型和重复长斜方形的模式是用于链线网,和弯曲方向相反的两线接触不良通过内部连接和绑在一起结连接在边界(14]。链线网的设计和图纸的链线网如图7。链线网的详细尺寸表所示1。

提供的大变形钢丝网在弹头的压力下,与一个500毫米大的中风和液压压20 kN的测量范围。弹头是连接到液压压通过螺母和螺栓法兰的工厂,然后是弹头需要与钢丝网孔的中心位置。弹头的纵轴和线网需要在压力测试中正交。测试的设置如图8。液压压压的弹头设备在一个恒定的速度10毫米/分钟,当弹头联系了钢丝网,唐宁的力和位移记录内置的位移传感器和负载传感器的液压压。力和唐宁的价值位移确定开始的弹头联系单一网格线网,直到线网是断裂的。钢丝网断裂时,测试是停了。

3所示。实验结果和分析

压力测试流程和线网的变形图所示9。当弹头设备最初渗透网中心,中心之间的相对位移发生网和弹头,直到中心网约束的弹头,然后是钢丝网和弹头设备一起向下移动。线网的变形包括整体变形和局部变形。整个线网适合薄膜拉伸变形行为的模型,产生一个漏斗形状,和当地中心的变形称为扩大变形网格时受弹头影响设备。

详细的线网的局部变形和断裂特征图所示10。弹头设备渗透单网,圆周挤压力量应用于中心网的弹头,本节和中心网逐渐变形的弹头。钢丝网的预拉伸压力测试开始前,连同弹头的钢丝网应用的压力中心网,导致对称应力钢丝网。因此,在连接钢丝之间的相对滑动~ D是不明显的。没有明显的两个钢丝之间的相对滑动内部连接B和D,和只有轻微的滑动的内在连接观察(图A和C10 ())。三维织物的技术和几何偏心,电线的连接的强度将pre-bending略有下降,和钢丝连接抵抗弯矩,剪力和扭转力。合并后的压力对连接的电线将首次超过有限的压力;因此,钢丝网的断裂发生在中间的连接网,和钢丝的断裂行为提出了斜截面复合应力(图下失败10 (b))。这些现象被观察到的两个测试。提高强度的线连接,提高延性的线是一种有效的解决方案。

与数据3和10,无论是准静态压力测试,低速冲击测试,或短程武器攻击测试,钢丝网所有的骨折发生在连接的位置,单网联系了弹头。测量非线性压力与位移响应曲线如图11。曲线的切线展品累进从0增加到100 ~ 125毫米,125毫米的位移后,曲线的切线保持几乎不变,直到失败。

4所示。有限元建模的钢丝网在弹头设备的压力下

虽然有一些研究在有限元建模的链线网平面拉伸机制(13,17,18),复杂的链线网的三维几何和之间的联系单导线的连接,以及网格之间的联系和弹头设备,使得有限元建模的钢丝网在弹头的压力下独特而具有挑战性的任务。因此,链线网在弹头设备的压力下于2022年在ANSYS中实现r1繁殖的变形和断裂行为钢丝网。

4.1。数值方法和有限元模型

没有骨折或打结的滑动连接的线网实验,所以结连接在有限元模型可以简化为固定连接。弹头设备简化有限元模型中,法兰厂被忽视,弹头和支持被认为是在有限元模型中。弹头的钢丝网和设备的几何力学行为有很大影响,因此,FE模型链的进口钢丝网和弹头设备符合使用的测量实验。

因为内部连接的电线必须抵制紧张、弯曲、剪切、扭转,梁元素与二次秩序和弹性刚度行为选择离散化了几根电线。相比于电线,弹头设备的刚度行为是刚性的,并与刚性固体元素行为选择离散化弹头设备。捕捉曲率法和曲率正常角度提炼啮合和捕获的接触行为的电线连接。映射网格与困难的行为被用于弹头的网设备几何。

内部连接的电线接触到对方时,钢丝网被弹头压装置。有两种主要的方法被开发来处理这些问题。多体耦合算法可以建立平移约束和保持自由旋转接触节点的梁元素之间的内在联系,但梁之间的滑动和接触元素不能被考虑。隐式beam-to-beam算法可以考虑接触和接触滑动梁元素的内在联系,但正常的刚度联系梁元素将戏剧性的改变了,这将造成严重的收敛的困难或需要更细化网格领域的接触和更多的计算时间。滑动的钢丝连接不显著;因此,捕捉的主要行为钢丝网的弹头的压力下,混合算法应用于模拟接触行为的钢丝网平衡计算精度、计算时间和收敛性。一方面,无摩擦接触beam-to-beam被用来模拟联系梁元素之间的内在联系;另一方面,多体耦合算法被用来约束之间的滑动接触的节点梁元素。此外,渗透公差因子和正常刚度因子beam-to-beam接触算法的改进和优化。

多个固体接触算法被用来模拟弹头之间的接触和滑动装置和线网。摩擦系数也认为,前卫接触类型的线段是用于multiple-to-solid接触算法。边界条件来模拟压力测试应用于有限元模型。平动自由度的简化结连接受限,和自由旋转被用于建模之间的连接导线网和u形连接器。垂直位移是对弹头设备执行准静态测试。链线网的有限元模型建立了弹头设备和图所示12。

4.2。材料和断裂

正在线网从高强度钢丝编织、和工程strain-stress钢丝在单轴拉伸曲线如图13。如图13、高强度钢丝韧性材料用塑料硬化特征,钢丝的杨氏模量大约是1941270 MPa;此外,平均屈服强度(y, 0.2%抵消线)使用的线是大约1550 MPa。钢丝的断裂力大约是13.58 kN,和极限拉伸应力约为1984.66 MPa。钢丝的极限应变约为0.032。采用多重线性各向同性硬化本构关系来描述钢丝材料。高非线性特性的钢丝材料,可塑性大株和应该考虑大位移效应,而真正的strain-stress曲线的钢丝材料用于数值分析。的真正strain-stress曲线钢丝材料可以通过下面的公式17]: 在哪里和可以从工程应力-应变曲线如图13。

尽管电线连接抵抗轴向力、弯矩、剪力,钢丝的扭转力,压裂测试中主要是由轴向力和弯矩引起的。复合应力法和元素出生和死亡技术被用来模拟压裂钢丝的测试。复合应力法包括轴向应力和弯曲应力。当在有限元模型中元素的复合应力超过了有限的压力,元素会失败(元素死亡)和计算将会停止。钢丝的复合应力法定义为下面的公式: 在哪里轴向应力,总弯曲应力,和可以获得的数值模拟;极限拉伸应力,等于1984.66 MPa;和是偏心弯矩影响系数考虑几何形状和横截面的应力系数,然后呢等于0.20。

4.3。有限元建模和验证结果

有限元模拟结果与实验数据进行比较来评估模型的可靠性和准确性在预测钢丝网在压力下的行为的弹头。特别是,变形和断裂行为的钢丝网、压力和位移曲线,获得的最大位移和压力峰值的有限元建模和实验测试进行了讨论。

等效应力等值线、变形和死亡元素的位置线网图所示14。钢丝网的变形有限元建模包括整体变形,获得的局部变形,死亡元素位于中心网的内在联系。线网的变形和断裂行为正好与实验结果(数据9和10)。图15显示了死亡的stress-displacement曲线元素,包括轴向应力、弯曲应力,并结合压力。初,中心网主要是变形由于周围的网格,偏心拉伸和弯曲应力比轴向应力增加快得多。为中心网扩大由于弹头的压力,圆周挤出力增加,轴向压力迅速增加,而弯曲应力逐渐降低了。比较轴向应力和弯曲应力,轴向应力的主要因素是导致压裂的钢丝,以及轴向应力占80.0%的复合应力。

图16显示了压力与位移曲线得到的有限元建模仿真和实验。数值结果匹配的总体趋势与实验。这种差异可以部分归因于钢丝网的初始预张条件和滑动的内在联系。测试,钢丝网前预张弹头设备应用,这将增加刚度的钢丝网开始,导致的压力比在同一位移的数值模拟,从0到140毫米。与位移的增加从140到180毫米,压力测试是获得的低比数值模拟获得的由于滑动效果和c表连接2显示了最大位移和峰值压力测试和数值模拟,获得的最大位移和峰值压力获得的数值模拟与实验数据一致。因此,发展了数值计算方法和有限元模型能够可靠地预测钢丝网的行为在弹头的压力下设备。

4.4。线网规模和啮合角的影响

验证数值方法和有限元模型被用来进一步研究线网的机械行为在弹头的压力下。压力与位移曲线的三线净尺寸对比图17。结果表明,随着线网规模减少,钢丝网严厉得多,这意味着他们的力-位移曲线陡峭斜坡上升,但压力峰值没有明显改变。因此,我们可以减少线网规模增加刚度的钢丝网而不考虑减少峰值压力。

网角是一个关键参数在设计线网,和五个网角度相同的内切圆直径钢丝网设计。因为一些设计线网与不同角度的参数没有改变,只有改变了参数表中给出3。网角之间的关系,面密度的钢丝网,和峰值压力由有限元建模、分析和数值仿真结果如图18。如图18、面密度和峰值压力增加而增加网角。获得一个更大的峰值压力,网状的角度将接近90°,但这将增加的磁录密度线网和编织困难。然而,由于的初始弯曲钢丝是相对较大的,初始弯曲应力增加,导致峰值压力速降时啮合角小于53.9°。

5。结论和展望

本文报道的机械行为链线网在准静态压力下弹头。准静态压力测试进行设计的钢丝网、变形和断裂行为和压力与位移的钢丝网进行调查。此外,有限元建模的钢丝网在弹头设备开发的压力下使用ANSYS 2022 r1。数值结果和实验数据之间的比较说明了数值方法的可靠性和FE模型在预测钢丝网的机械行为加压弹头。净尺寸和线网的影响角度也调查了使用有限元模型。本研究的结果可以概括如下:

(我)的变形钢丝网包括整体变形和局部变形。的整体变形钢丝网膜拉伸模型符合一个漏斗形状,和当地中心的变形称为扩大变形网格影响弹头设备。

(ii)的骨折线网位于连接单一网格在接触弹头,和这些现象被观察到的相同的低速冲击测试或短程武器攻击测试。压力与位移曲线得到的测试可以确定初始设计的钢丝网的力学行为。

(3)线网的刚度有关线净尺寸,但峰值压力的钢丝网在弹头的压力下钢丝网的大小无关。峰值压力网角有关,并获得更大的峰值压力,面密度的钢丝网和织造难度会增加。最优网格角内切圆直径45毫米的导线网的磁录密度是59.9°考虑钢丝网和编织的困难。

然而,线网之间的交互和短程武器是一个动态的过程,和本文中给出的结果只是初始线网的设计建议。高强度钢丝和短程武器性能的材料在高应变率下,冲击能量(速度、质量),武器的攻击角度和需要进一步实验和数值分析。

数据可用性

作者确认数据支持本研究的发现可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文的工作是支持的基础加固的基础下批准号2019 - jcjq jj - 023和2020 - qn - 06076。