彈載硬回收記錄器炮擊結(jié)構(gòu)侵徹混凝土靶的數(shù)值模擬＊

汪 衡，田曉麗，陳國光，彭書麗

（中北大學機電工程學院，太原 030051）

0 引言

隨著航空航天業(yè)的飛速發(fā)展，需要精確記錄越來越多的飛行實驗數(shù)據(jù)。然而由于空間等因素的限制，無法安裝無線遙控設備，硬回收記錄器在此情況下應運而生。文中所研究的彈載硬回收記錄器炮擊結(jié)構(gòu)即是用于記錄存儲炮彈從發(fā)射到拋撒全過程相關數(shù)據(jù)的硬回收記錄器，要求其撞擊目標后，保證內(nèi)部存儲器設備腔不受破壞。因此，為了對存儲器炮擊結(jié)構(gòu)的材料選取和結(jié)構(gòu)設計提供比較精確的數(shù)值依據(jù)，有必要采用ANSYS／LS－DYNA模塊對該結(jié)構(gòu)侵徹混凝土靶的過程進行仿真。

1 ANSYS／LS－DYNA仿真

本仿真建立彈載硬回收記錄器炮擊結(jié)構(gòu)以550m／s的速度侵徹1m厚混凝土靶的幾何模型，模擬真實環(huán)境下的侵徹情況，考查在侵徹過程中硬回收炮擊結(jié)構(gòu)的可靠性，為硬回收炮擊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供理論指導。

1.1 有限元模型建立

文中仿真的侵徹體是一彈載硬回收記錄器炮擊結(jié)構(gòu)，主要由榴彈彈體，彈性材料和硬回收記錄器炮擊結(jié)構(gòu)三部分組成，其中硬回收記錄器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減少計算量和計算時間，在保證不影響仿真效果的前提下，可對混凝土靶進行適當?shù)目s小，混凝土靶的尺寸為：800mm×800mm×1000mm。計算模型采用Lagrange算法，由于該模型的軸對稱性，仿真使用四分之一模型。在對稱面上施加邊界約束，混凝土靶邊界施加固定約束。榴彈和混凝土靶之間采用侵蝕接觸算法，采用cm－g－us建模。

在劃分網(wǎng)格時，采用SOLID164實體單元對計算模型進行映射網(wǎng)格劃分。這種單元的運算速度快，精度比較高。對榴彈劃分的網(wǎng)格大小約為1∶2mm，對記錄器炮擊結(jié)構(gòu)劃分的網(wǎng)格大小約為1∶2.5mm。

圖1 記錄器殼體結(jié)構(gòu)的尺寸

為了提高計算精度同時又方便計算，混凝土靶主要參與接觸部分的網(wǎng)格劃分較密，網(wǎng)格大小為1∶8mm，其余部分網(wǎng)格劃分較疏。全部劃完的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 各部分有限元模型

1.2 材料模型及參數(shù)確定

在計算機上進行侵徹數(shù)值模擬，材料模型的選擇對結(jié)果的準確性至關重要。本仿真中榴彈和記錄器炮擊結(jié)構(gòu)的材料模型采用塑性隨動的彈塑性模型PLASTIC＿KINEMATIC，該模型的優(yōu)點是參數(shù)比較簡單，容易確定，失效法則也比較靈活，非常適合多種工程金屬材料（鋼、鋁、鑄鐵等）。在仿真模擬中炮擊結(jié)構(gòu)采用35CrMnSiA，其材料參數(shù)如表1所示。彈性體材料選用MAT＿ELASTIC材料本構(gòu)模型，其參數(shù)如表2所示。

表1 炮擊結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 彈性材料參數(shù)

為了描述混凝土的非線性變形和斷裂特性，在計算中引入了JOHNSON＿HOLMQUIST＿CONCRETE（簡稱H-J - C）本構(gòu)模型及損傷模型。H -J-C本構(gòu)模型能很好的描述高應變率條件下混凝土的響應問題，這種模型綜合考慮了大應變、高應變率、高壓效應，非常適合Lagrange和Euler網(wǎng)格下的計算模型，其等效屈服強度是壓力、應變率及損傷的函數(shù)，而壓力是體積應變（包括永久壓垮在內(nèi)）的函數(shù)，損傷積累則是塑性體積應變、等效塑性應變及壓力的函數(shù)。混凝土本構(gòu)模型的材料參數(shù)如表3所示。

表3 混凝土材料參數(shù)

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 查看變形

利用 ANSYS／LS－DYNA 專用后處理器lsprepost查看彈載記錄器炮擊結(jié)構(gòu)侵徹混凝土靶的變形情況如圖3所示。

圖3 穿透靶后變形情況

從圖3可看出，在穿透混凝土靶后，榴彈的頭部已經(jīng)被破壞，但是硬回收記錄器卻保持良好的形狀，其內(nèi)部的接口電路腔和存儲電路腔并無明顯形變，可初步斷定其內(nèi)的存儲電路設備不會因擠壓而變形損壞。

2.2 存儲器電路腔的體積變化量

記錄器炮擊結(jié)構(gòu)的存儲器電路腔是仿真最為關注的部分。存儲器電路腔的高和半徑隨時間的變化情況如圖4、圖5所示，將數(shù)據(jù)導出，根據(jù)體積公式可求得體積隨時間的變化趨勢。

由圖5可以看出存儲器電路腔的初始高度為5cm，在侵徹的前2.5ms內(nèi)，存儲器電路腔的高度變化較為劇烈，最小時其值為4.9cm，比初始值減小1.87%。2.5ms以后，其值逐漸穩(wěn)定在4.96cm左右，比初始值減小0.8%。圖6的半徑取值存儲器電路腔最靠近底部的兩點間的距離，因其最靠近碰撞的部分，所以在存儲器電路腔中其相對于其余部分而言形變量是最大的。存儲器電路腔原始的體積為98.125cm3。 由導出數(shù)據(jù)計算分析可以得到，在侵徹過程中，存儲器電路腔體積的最大值為99.4cm3，最 小值 為 97.2cm3，其變化的范圍是99.1%～100.4%，可確保其內(nèi)部的存儲設備不因擠壓而變形損壞。

圖4 存儲器電路腔高隨時間的變化曲線

圖5 存儲器電路腔半徑隨時間的變化曲線

2.3 記錄器炮擊結(jié)構(gòu)速度、位移及過載分析

記錄器殼體結(jié)構(gòu)在侵徹過程中速度及位移曲線如圖6和圖7所示。

圖6 記錄器殼體結(jié)構(gòu)的速度曲線

圖7 記錄器殼體結(jié)構(gòu)的位移曲線

由圖6可以看出記錄器殼體結(jié)構(gòu)在侵徹過程中速度大致分為三個階段。第一階段：0～0.5ms，速 度 由 550m／s降 為 350m／s 左右；第二階段：0.5～2.5ms，速度 由 350m／s 降為100m／s左右；第三階段：2.5～10ms，速度由100m／s 降 為47.7m／s 左 右。第一階段記錄器殼體結(jié)構(gòu)受到的阻力最大，速度變化也最大。記錄器殼體結(jié)構(gòu)在第一階段撞擊混凝土靶時，在接觸界面處產(chǎn)生很強的應力，并向記錄器殼體結(jié)構(gòu)和靶體內(nèi)部傳播應力波。由于混凝土的抗拉強度和抗剪切強度比抗壓強度低，在應力波傳播的過程中使得下面的混凝土產(chǎn)生徑向裂紋，所以在第二階段記錄器殼體結(jié)構(gòu)受到的阻力比第一階段小，其速度變化也較為緩慢。記錄器殼體結(jié)構(gòu)的動能主要消耗在前兩個階段。在第三階段，混凝土裂紋更多，尤其當記錄器殼體結(jié)構(gòu)侵徹到接近靶體底部時，混凝土靶底部出現(xiàn)崩落破壞，于是這一階段記錄器殼體結(jié)構(gòu)所受的阻力最小，速度曲線更為平緩，最后速度保持在47.7m／s左右。由圖7可以看出，記錄器殼體結(jié)構(gòu)在10ms中運動了113.3cm，穿透了給定厚度的混凝土靶。

記錄炮擊結(jié)構(gòu)的Y方向過載如圖8所示。

圖8 記錄器炮擊結(jié)構(gòu)的過載曲線

由圖8的曲線變化趨勢可以看出，加速度的變化主要集中在0～2ms，大致可分為4個階段。第一階段：0～209μs，最大值為350000g；第二階段：209～764μs，最大值為230000g；第三階段：764～1558μs，最大值為65000g；第四階段：1558～10000μs，最大值為87000g。

記錄器炮擊結(jié)構(gòu)撞擊混凝土靶時，由于混凝土靶各部分受到的破壞不同，將其大致分成三層：粉碎層、斷裂層和彈性層。在記錄器炮擊結(jié)構(gòu)撞擊混凝土靶的第一階段，在接觸面上瞬間形成很強的應力，從而產(chǎn)生一個很大的加速度，其值為350000g，脈寬為22μs。此時，在記錄器炮擊結(jié)構(gòu)周圍形成一個小的粉碎層，該層內(nèi)混凝土靶比較酥松，記錄器炮擊結(jié)構(gòu)受到的阻力迅速減小，加速度曲線在這一時間段也迅速下降。隨著記錄器炮擊結(jié)構(gòu)的繼續(xù)侵入，進入第二階段，該階段的加速度最大值為230000g，在這一階段的粉碎層中，由于記錄器炮擊結(jié)構(gòu)與混凝土靶的接觸面積增大，使得應力有所減弱，加速度曲線先呈振蕩衰減的趨勢，當記錄器炮擊結(jié)構(gòu)進入斷裂層時，所受應力逐漸增大，故加速度又呈振蕩增加的趨勢。當記錄器炮擊結(jié)構(gòu)進入彈性層時，受到的應力較大，于是加速度曲線就出現(xiàn)了第三階段的最大值65000g，在該階段，由于受前兩個階段的影響，使得該層的破壞較為嚴重，故不像前兩個階段的加速度曲線變化那樣明顯。在第四階段，記錄器炮擊結(jié)構(gòu)受到的應力明顯增大，所以該階段產(chǎn)生的最大加速度為87000g，大于第三階段的最大加速度值，之后逐漸振蕩衰減。此時，記錄器炮擊結(jié)構(gòu)已接近靶板底部，由于混凝土的抗拉能力小于其抗壓能力，其底部形成的拉伸應力使得混凝土產(chǎn)生破裂，形成出口崩落，故第四階段無彈性層，記錄器炮擊結(jié)構(gòu)在這一階段受到的應力很小，加速度值最后接近于零。

3 仿真結(jié)論及試驗結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以得知該記錄器炮擊結(jié)構(gòu)在350000g的高過載下，以550m／s的速度侵徹1m厚混凝土靶，仍能保持良好的形狀。尤其存儲器電路腔的體積變形很小，完全可以保證其內(nèi)部的電路設備不因擠壓而變形損壞。驗證了在侵徹過程中硬回收炮擊結(jié)構(gòu)的可靠性，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供了理論指導。之后進行了打靶試驗，試驗結(jié)果證明記錄器炮擊結(jié)構(gòu)完好，可確保其內(nèi)部電路正常工作，基本與仿真情況符合。

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