مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مقیاس‌سازی نفوذ پرتابه‌های صلب در اهداف بتنی به روش تشابه محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ایوان‌کی، ایوان‌کی، ایران.
10.48311/mme.2026.118063.82905
چکیده
مقیاس‌سازی پدیده‌های وابسته به نرخ کرنش بالا در سازه‌های بتنی به دلیل رفتار غیرخطی و وابستگی خواص مکانیکی بتن به نرخ کرنش، همواره با چالش عدم تحقق تشابه کامل میان مدل و نمونه اصلی همراه است. در این پژوهش، چارچوبی تحلیلی تحت عنوان «روش تشابه محدود» برای مقیاس‌سازی سازه‌های بتنی تحت بارگذاری ضربه‌ای با نرخ بالا ارائه شده است. در این رویکرد، با بهره‌گیری از فرم انتگرالی قوانین بقای جرم، مومنتوم و انرژی و با لحاظ رفتار وابسته به نرخ کرنش بتن، ضرایب مقیاس‌سازی در دو حالت ابعادی و ابعادی–مادی استخراج گردید. به‌منظور ارزیابی دقت روش، نفوذ کره صلب در مقیاس‌های یک‌پنجم و یک‌دهم و نیز نفوذ پرتابه سرمخروطی صلب در مقیاس‌های یک و پانزده صدم و یک و شصت و هفت صدم در اهداف بتنی با مقاومت‌های فشاری مختلف به‌صورت عددی شبیه‌سازی شد. تحلیل‌ها با استفاده از نرم‌افزار Autodyn و مدل رفتاری RHT انجام گرفت. نتایج نشان داد با افزایش ضریب مقیاس‌سازی، انحراف پارامترهای پاسخ شامل نیروی بیشینه، انرژی جذب‌شده، عمق و قطر حفره و سرعت باقیمانده افزایش می‌یابد. بیشترین اختلاف در مقیاس‌سازی ابعادی نفوذ کره صلب برابر با 8 درصد و در مقیاس‌سازی ابعادی–مادی برابر با 24 درصد بود. در نفوذ پرتابه سرمخروطی نیز بیشترین اختلاف در روش ابعادی 2/13 درصد و در روش ابعادی–مادی 1/21 درصد به دست آمد. نتایج بیانگر دقت قابل قبول روش تشابه محدود در بازه‌های محدود ضریب مقیاس‌سازی و کارایی آن در طراحی مدل‌های مقیاس کوچک سازه‌های بتنی تحت بارگذاری ضربه‌ای است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Scaling the Penetration of Rigid Projectiles in Concrete Targets Using the Finite similitude Method

نویسندگان English

Davood Lotfi 1
Hossein Khodarahmi 2
Alireza Nadaf Oskooei 1
Seyed Mohammad Vahab Mousavi 1
Tohid Mirzababaie Mostofi 3
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Hossein Comprehensive University, Tehran, Iran.
3 Faculty of Mechanical Engineering, Ivankey University, Ivankey, Iran.
چکیده English

Scaling high strain-rate phenomena in concrete structures remains challenging due to the nonlinear and strain-rate-dependent behavior of concrete, which prevents full similitude between scaled models and prototypes. This study proposes an analytical framework termed the Finite similitude Method for scaling concrete structures subjected to high-rate impact loading. The formulation is derived from the integral forms of the conservation laws of mass, momentum, and energy, while explicitly incorporating strain-rate-dependent material behavior. Scaling factors are established for both purely dimensional and combined dimensional–material scaling, enabling extrapolation from scaled models to full-scale structures. To assess the method’s accuracy, numerical simulations were conducted for rigid spherical projectile penetration at one-fifth and one-tenth scales, and rigid ogive-nosed projectile penetration at 1.15 and 1.67 scales, impacting concrete targets with varying compressive strengths. Simulations were performed using Autodyn, and concrete behavior was modeled with the RHT constitutive model. Results show that increasing the scaling factor leads to larger deviations in peak force, absorbed energy, crater diameter and depth, and residual velocity. Maximum deviations reached 8% in dimensional scaling and 24% in dimensional–material scaling for spherical projectiles, and 13.2% and 21.1%, respectively, for ogive-nosed projectiles. The findings confirm that the proposed method provides reliable accuracy within limited scaling ranges and offers a practical tool for designing scaled impact experiments in concrete structures.

کلیدواژه‌ها English

Projectile penetration
Finite similitude
Scaling Concrete structures
RHT behavioral model, High-rate loading

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 19 اسفند 1404