شبيه سازي عددي و تحليلي پرتابه هاي فرسايشي سرعت بالا در اهداف بتني مسلح به الياف فولادي

Numerical Simulation and Analytical of High Speed Erosive Projectiles into Steel Fiber Reinforced Concrete Targets

در اين مقاله به ارايه يك مدل تحليلي فرآيند نفوذ پرتابه‌هاي فرسايشي در بتن تقويت‌شده به الياف فولادي پرداخته‌شده است. نوآوري مدل تحليلي ارايه‌شده در آن است كه تاثير طول به قطر الياف فولادي و نسبت طول به قطر پرتابه و همچنين درصد حجمي الياف استفاده‌شده در ماتريس بتن بر روي مقاومت ضربه‌اي بتن اليافي در سرعت‌هاي بالا موردتوجه قرارگرفته است. در شبيه‌سازي عددي از كد صريح و غيرخطي ال اس داينا با روش حل لاگرانژي و به‌صورت تقارن محوري استفاده‌شده است. پرتابه‌ها با سرعت‌بالاي در حدود 2500 متر بر ثانيه با جرم تقريبي 45 گرم و با سر نفوذگر نيم كروي، تخت و اجايو در بتن مسلح به الياف فولادي با درصد هاي حجمي 1، 5/1 و 2 درصد نفوذ مي كنند. در اين مقاله براي پيش گويي دقيق رفتار پرتابه فلزي و بتن اليافي در سرعت هاي بارگذاري خيلي بالا از مدل ماده الاستيك – پلاستيك هيدروديناميك استفاده شده است. پس از مقايسه مدل تحليلي نفوذ با فرآيند شبيه سازي و كار آزمايشگاهي، نتايج نشان مي دهد كه پرتابه هاي با سر نفوذگر اجايو كه فاكتور تيزي سر پرتابه پاييني دارد با سرعت باقيمانده بيشتري از اهداف خارج مي شود و كارآيي آنها در نفوذ بهتر مي باشد. به عبارت ديگر با افزايش نسبت طول به قطر پرتابه از 5/0 به 9/0، براي پرتابه هايي به ترتيب به شكل تخت، نيم كروي و اجايو، سرعت باقي مانده افزايش مي يابد. همچنين با افزايش درصد حجمي الياف فولادي در ماتريس بتن ميزان تخريب سطح رويي و زيرين بتن اليافي تا 20 درصد كاهش مي يابد. مدل تحليلي ارايه شده در فرآيند تغييرات سرعت پرتابه در حين نفوذ داخل بتن مسلح به الياف فولادي از دستاوردهاي مهم اين تحقيق محسوب مي شود.

In this paper, modeling of high speed projectiles with different nose shapes, penetrating into steel fiber reinforced concrete is investigated. This is a novel study because it considers the length to diameter ratio of steel fiber as well as the projectile length to diameter ratio and volume fraction of fiber used in concrete matrix on the impact resistance of steel fiber reinforced concrete fibers at high speeds. Numerical simulation is used using LS-DYNA explicite code with Lagrangian method and axial symmetry form. The projectiles have an approximate mass of 45 (gr) and their velocities are about 2500 (m/s) penetrating into steel fiber reinforced concrete panel with volume fraction of 1.0%, 1.5% and 2.0%. In this article the exact behavior of steel fiber reinforced concrete confronting metallic projectiles at high speed is predicted. Here, Elastic-Plastic Hydrodynamic material model is used for prediction of projectile behavior. The results of the simulations are compared with experimental work of other investigators and, the results show that ogive nose projectiles are more efficient than other projectiles. In other words, by increasing the projectile length to diameter ratio from 0.5 to 0.9, for flat, hemispherical and ogive projectiles their residual velocities are increased. Also, it is shown that by increasing the volume fraction of steel fibers in concrete matrix, damage of top surface damage is reduced 20% dramatically. The analytical model presented in this paper considers the speed variations of the projectile during the penetration process into steel fiber reinforced concrete is an important achievements this respect.