钢针击穿玻璃的实验验证与数值仿真分析

王马法 柳森 李毅 周毅 黄洁

王马法, 柳森, 李毅, 周毅, 黄洁. 钢针击穿玻璃的实验验证与数值仿真分析[J]. 高压物理学报, 2016, 30(5): 406-413. doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.010
引用本文: 王马法, 柳森, 李毅, 周毅, 黄洁. 钢针击穿玻璃的实验验证与数值仿真分析[J]. 高压物理学报, 2016, 30(5): 406-413. doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.010
WANG Ma-Fa, LIU Sen, LI Yi, ZHOU Yi, HUANG Jie. Experimental Verification and Numerical Simulation ofSteel Needles Impacting on Glass[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2016, 30(5): 406-413. doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.010
Citation: WANG Ma-Fa, LIU Sen, LI Yi, ZHOU Yi, HUANG Jie. Experimental Verification and Numerical Simulation ofSteel Needles Impacting on Glass[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2016, 30(5): 406-413. doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.010

钢针击穿玻璃的实验验证与数值仿真分析

doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.010
详细信息
    作者简介:

    王马法(1986-), 男, 博士, 助理研究员, 主要从事超高速碰撞研究.E-mail:fujianwmf@163.com

    通讯作者:

    黄洁(1968-), 女, 硕士, 主要从事超高速碰撞研究.E-mail:hvi@cardc.cn

  • 中图分类号: O315;O347.3

Experimental Verification and Numerical Simulation ofSteel Needles Impacting on Glass

  • 摘要: 为了验证徒手投掷钢针击穿玻璃的可能性,通过一级气体炮加载实验和AUTODYN数值仿真方法,研究了在普通绣花钢针以数十米每秒的速度撞击下玻璃的损伤情况和弹道极限速度。结果表明:玻璃的破坏区集中在撞击点附近,并在玻璃背面形成锥形坑;钢针击穿玻璃的弹道极限速度与钢针质量、针头形状、玻璃厚度和撞击角度密切相关,并且随着玻璃厚度和撞击角度的增加而增大,随着钢针质量的增加而减小。当钢针速度达到30 m/s、撞击角度控制在10°以内时,手掷0.35 g绣花钢针可以击穿1.6 mm厚的玻璃;钝头钢针比尖头钢针更容易穿透玻璃,且钝头钢针撞击玻璃时,玻璃以剪切和拉伸破坏为主。

     

  • 图  一级气体炮实验装置

    Figure  1.  One-stage gas gun facility

    图  实验装置布局

    Figure  2.  Experimental facility layout

    图  高速摄像机拍摄的钝头钢针击穿玻璃图像(v0=75 m/s)

    Figure  3.  Photos of a flat-nose steel needle penetrating through the glass taken by a high speed camera (v0=75 m/s)

    图  典型穿孔形貌

    Figure  4.  Typical appearance of perforation

    图  钢针撞击玻璃的实验结果

    Figure  5.  Experimental results of steel needle penetration into glass

    图  钝头钢针的仿真模型

    Figure  6.  Simulation model of the flat-nose steel needle

    图  钝头钢针击穿玻璃的仿真结果(v0=50 m/s)

    Figure  7.  Simulation results of a flat-nose steel needle penetrating through the glass (v0=50 m/s)

    图  穿孔形貌的仿真结果

    Figure  8.  Simulated appearance of the perforation

    图  钝头钢针击穿玻璃的仿真结果(v0=30 m/s)

    Figure  9.  9 Simulation results of a flat-nose steel needle penetrating through the glass (v0=30 m/s)

    图  10  弹道极限速度随玻璃厚度变化的规律(钝头钢针,m=0.37 g, α=0°)

    Figure  10.  Ballistic limit velocity vs.the thickness of glass(Flat-nose needle, m=0.37 g, α=0°)

    图  11  弹道极限速度随钢针质量变化的规律(钝头钢针,h=1.6 mm, α=0°)

    Figure  11.  Ballistic limit velocity vs.the mass of steelneedle (Flat-nose needle, h=1.6 mm, α=0°)

    图  12  4种钢针的头部形状

    Figure  12.  Nose shapes of 4 kinds of steel needles

    图  13  圆台钝头钢针和卵形尖头钢针与玻璃的撞击作用(h=1.6 mm, α=0°)

    Figure  13.  Penetration of flat-nose and ogive-nose needles into glass (h=1.6 mm, α=0°)

    图  14  弹道极限速度随撞击角度变化的规律(钝头钢针, m=0.37 g, h=1.6 mm)

    Figure  14.  Ballistic limit velocity vs.impact angle(Flat-nose needle, m=0.37 g, h=1.6 mm)

    表  1  实验结果

    Table  1.   Experimental results

    Nose shape v0/(m/s) α/(°) Perforation or not
    Flat 18 8 No
    30 6 No
    30 13 No
    33 1 Yes
    36 2 Yes
    40 0 Yes
    43 0 Yes
    45 14 Yes
    48 4 Yes
    50 0 Yes
    50 11 No
    60 12 Yes
    Ogive 17 0 No
    29 0 No
    45 2 No
    50 0 No
    50 18 No
    55 15 No
    70 15 Yes
    75 0 Yes
    Note: The mass and diameter of steel needles are about 0.35 g and 0.96 mm respectively, and the thickness of glass is 1.6 mm.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-04-18
  • 修回日期:  2015-06-15

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