基于LS－DYNA計(jì)算結(jié)果的破片戰(zhàn)斗部虛擬打擊仿真

胡玉濤，蔣邦海，盧芳云，孔鐵全，林華令

（1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，長沙410073；2.第二炮兵裝備研究院，北京100085）

近年來，基于LS－DYNA的數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用到戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中.相對(duì)于傳統(tǒng)的分析方法和經(jīng)驗(yàn)方法，采用數(shù)值模擬方法的預(yù)測結(jié)果比上述2種方法更加準(zhǔn)確.尤其在新型的定向戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)中，數(shù)值模擬更具有不可替代的作用[1].對(duì)于預(yù)制破片戰(zhàn)斗部威力場的研究，國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)的研究成果，如陳留濤等研究的戰(zhàn)斗部威力場仿真系統(tǒng)[2].但是，通過數(shù)值模擬計(jì)算一般只能獲得初始時(shí)刻破片場，而不能完整地描述破片飛散和破片作用目標(biāo)的全過程.LS－DYNA通用的后處理程序也不能由計(jì)算結(jié)果輸出破片數(shù)據(jù)文件，用來描述破片場中每個(gè)破片的大小和速度，對(duì)于殼體形成的自然破片更沒有搜索識(shí)別的能力[3].

本文建立了基于LS－DYNA計(jì)算結(jié)果的破片戰(zhàn)斗部虛擬打擊仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)破片場形成、破片飛散、破片作用目標(biāo)的全過程三維可視化.基于LS－DYNA數(shù)值計(jì)算結(jié)果，利用開發(fā)的接口程序獲得戰(zhàn)斗部初始時(shí)刻的破片場，包括預(yù)制破片和自然破片；采用射擊跡線仿真模型，建立考慮空氣阻力影響的破片飛行彈道[4]；使用THOR侵徹方程計(jì)算破片對(duì)目標(biāo)的侵徹毀傷[5～7]；采用可移植的glut庫實(shí)現(xiàn)仿真場景的三維可視化.對(duì)破片場分析可以計(jì)算出破片飛散分布情況.對(duì)虛擬目標(biāo)上命中破片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以預(yù)估目標(biāo)的毀傷程度.使用該系統(tǒng)，有助于進(jìn)行基于LS－DYNA數(shù)值模擬的戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)、虛擬靶場試驗(yàn)、輕裝甲毀傷預(yù)估等領(lǐng)域的研究.

1 仿真方法

基于LS－DYNA計(jì)算結(jié)果的破片戰(zhàn)斗部虛擬打擊仿真主要由破片場分析模型、侵徹毀傷模型和三維漫游顯示組成.其中破片分析模型完成計(jì)算結(jié)果中破片的搜索識(shí)別，計(jì)算破片彈道并分析戰(zhàn)斗部姿態(tài)和飛行速度對(duì)破片場的影響；侵徹毀傷模型完成破片對(duì)目標(biāo)的毀傷效果分析；三維漫游顯示負(fù)責(zé)處理打擊場景的三維可視化任務(wù).

1.1 破片場分析模型

1）數(shù)值模擬接口.

戰(zhàn)斗部起爆的數(shù)值模擬采用LS－DYNA軟件進(jìn)行.由于LS－DYNA沒有給出輸出破片數(shù)據(jù)文件的后處理程序，只能按節(jié)點(diǎn)輸出坐標(biāo)、速度等信息.為了求出破片的大小、速度和坐標(biāo)，利用幾個(gè)時(shí)刻輸出的單元和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)文件，開發(fā)了接口處理程序來實(shí)現(xiàn)破片數(shù)據(jù)文件的生成.由于每一破片都存在多個(gè)單元，不同破片的單元編號(hào)沒有規(guī)律，并且由于自然破片形成時(shí)部分單元和節(jié)點(diǎn)因?yàn)槭П粍h除，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)比初始時(shí)刻少.對(duì)此，首先確定一個(gè)破片場已經(jīng)飛散穩(wěn)定的時(shí)刻，根據(jù)此時(shí)刻存在的單元和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，通過判斷單元與單元之間的接觸情況，生成破片并搜索破片由哪些單元組成，然后結(jié)合輸入文件的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和材料密度，可以計(jì)算出每個(gè)破片的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)，進(jìn)一步可以求出破片的質(zhì)心速度，并保存為破片數(shù)據(jù)文件.搜索破片單元組成的流程如圖1所示，由接口生成的破片數(shù)據(jù)文件如圖2所示.破片數(shù)據(jù)文件包括每個(gè)破片的質(zhì)心坐標(biāo)、速度、質(zhì)量和構(gòu)成該破片的單元數(shù)量等信息.

圖1 搜索破片單元組成的流程圖

圖2 破片數(shù)據(jù)文件

2）破片彈道.

在應(yīng)用中，戰(zhàn)斗部的實(shí)際姿態(tài)與靜爆試驗(yàn)時(shí)可能不同，并且彈體帶有一定速度，會(huì)影響破片場的飛散分布.需要對(duì)由數(shù)值模擬得到的破片場作坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，由戰(zhàn)斗部自身的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換至場景的全球坐標(biāo)系，然后將破片的靜態(tài)飛散初速度與導(dǎo)彈速度進(jìn)行矢量疊加，生成破片的動(dòng)態(tài)初速度.

在破片飛行過程中還有空氣阻力和重力的影響，但破片質(zhì)量一般較輕、飛行速度快、彈道較短，重力的影響可以忽略，可以只考慮空氣阻力的影響，認(rèn)為破片彈道為直線，破片飛行的存速為[7，8]

式中，vx為破片存速，vd為破片動(dòng)態(tài)初速，x為破片飛行距離，A為破片迎風(fēng)面積，mf為破片質(zhì)量，ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，c為無量綱系數(shù).c與破片形狀和飛行速度有關(guān)，一般估算時(shí)可取0.5.規(guī)則幾何體迎風(fēng)面積常取全面積的四分之一.破片在飛行時(shí)不斷翻滾，迎風(fēng)面積一般為隨機(jī)變量，取其數(shù)學(xué)期望值式中，φ為破片形狀系數(shù)（m2/kg2/3），自然破片在粗略計(jì)算時(shí)可取φ＝0.005m2/kg2/3.

1.2 侵徹毀傷模型

1）目標(biāo)模型.

目標(biāo)的建模包括幾何形狀建模和等效強(qiáng)度建模.幾何形狀建模用于描述目標(biāo)的幾何形狀、尺寸大小，用于三維顯示及計(jì)算破片和目標(biāo)的交會(huì)；等效強(qiáng)度建模描述目標(biāo)部件的材料強(qiáng)度，用于計(jì)算目標(biāo)的抗侵徹能力.本模型利用三角形網(wǎng)格對(duì)目標(biāo)形狀進(jìn)行等效，三角形網(wǎng)格面元的數(shù)量決定了對(duì)目標(biāo)模型的逼真程度和計(jì)算的精細(xì)程度.圖3為雷達(dá)模型.

圖3 雷達(dá)三角形網(wǎng)格模型

目標(biāo)等效強(qiáng)度主要用于計(jì)算破片對(duì)目標(biāo)的侵徹，一般使用等效靶板厚度來描述目標(biāo)部件的強(qiáng)度[8，9]：

式中，h，σ分別為等效靶板的厚度和抗拉強(qiáng)度；h0，σ0分別為目標(biāo)部件的靶板厚度和抗拉強(qiáng)度.

2）彈目交會(huì).

利用彈目交會(huì)計(jì)算破片是否命中目標(biāo)及命中目標(biāo)的具體位置.在破片場分析模型中已經(jīng)得到破片的飛行彈道為射線，再考慮到目標(biāo)都由三角形面元組成，計(jì)算破片和目標(biāo)的交會(huì)就成了射線和三角形的求交問題.通過求解破片彈道方程和三角形面元方程組成的線性方程組就可以獲得破片命中目標(biāo)的位置、侵徹角等彈目交會(huì)數(shù)據(jù)，如圖4所示.圖4右側(cè)△ABC表示左側(cè)雷達(dá)目標(biāo)被命中的三角形面元，T為破片彈道射線與面元的交點(diǎn)，rTN為面元法矢量.

圖4 破片打擊目標(biāo)示意圖

3）侵徹計(jì)算.

破片對(duì)目標(biāo)靶板的侵徹毀傷采用THOR侵徹方程計(jì)算，可得到破片侵徹目標(biāo)靶板的剩余速度和剩余質(zhì)量，計(jì)算剩余速度的THOR方程為[5]

計(jì)算剩余質(zhì)量的THOR方程為

式中，v0，vr分別為破片初速度和剩余速度；mf，mr分別為破片著靶時(shí)的質(zhì)量和穿透后的剩余質(zhì)量；θ為破片彈道射線與命中三角面元法向矢量的夾角；k，α，β，γ，λ，k1，α1，β1，γ1為與靶板相關(guān)的材料參數(shù).當(dāng)?shù)刃О邪宀牧蠟榈吞间摃r(shí)，由試驗(yàn)擬合得到的系數(shù)為[5]：k＝4 913，α＝0.889，β＝ －0.945，γ＝1.262，λ＝0.019，k1＝ －2.478，α1＝0.138，β1＝－0.835，γ1＝0.143.破片場對(duì)目標(biāo)的侵徹計(jì)算完成后，統(tǒng)計(jì)出目標(biāo)各部件的命中破片數(shù)，并根據(jù)定義的毀傷標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估目標(biāo)的毀傷程度.

1.3 三維漫游顯示

三維漫游顯示模塊采用C＋＋和可移植庫glut進(jìn)行編譯，用于處理虛擬打擊仿真場景的三維可視化任務(wù)和人機(jī)交互中產(chǎn)生的場景漫游任務(wù)[10].通過場景顯示窗口直觀地觀察破片場的飛散及彈目交會(huì)過程.使用場景漫游功能可全方位觀察目標(biāo)的毀傷程度.

2 仿真算例分析

2.1 算例模型

以某柱形預(yù)制破片戰(zhàn)斗部為例進(jìn)行仿真分析.整個(gè)裝置由上、下端蓋，內(nèi)殼體，承重殼體和預(yù)制鋼珠破片構(gòu)成，其中上、下端蓋均為LY－12硬鋁；內(nèi)殼體及承重殼體均為20＃鋼；預(yù)制破片為1 820枚鋼珠；起爆方式為單端中心點(diǎn)起爆.裝置如圖5所示.

圖5 裝置剖面示意圖

2.2 破片場分析

使用LS－DYNA對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了破片場分析.程序搜索識(shí)別得到預(yù)制破片1 820枚，與模型預(yù)制破片數(shù)吻合，由殼體和端蓋生成自然破片181枚.圖6為程序仿真得到的400μs時(shí)破片場的結(jié)果.按破片質(zhì)量統(tǒng)計(jì)了破片數(shù)，如表1所示.表中Nt，Ns和Np分別為由端蓋、殼體和預(yù)制破片生成的破片數(shù)，mf為破片質(zhì)量.其中預(yù)制破片1 820枚均分布在1g到4g的范圍內(nèi)，與初始預(yù)制破片情況相符，這證實(shí)了系統(tǒng)在破片搜索和破片質(zhì)量上是可靠的.

圖6 400μs時(shí)破片場仿真結(jié)果

表1 破片隨質(zhì)量分布統(tǒng)計(jì)

按照靶場試驗(yàn)布置，對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散過程進(jìn)行了虛擬仿真，統(tǒng)計(jì)了破片場飛散分布.戰(zhàn)斗部彈體是立式放置，戰(zhàn)斗部彈體的軸線垂直于地面.在以爆心為圓心的圓弧上共設(shè)置2塊靶板，靶板距爆心3.5m，編號(hào)為1＃、2＃.戰(zhàn)斗部赤道面與目標(biāo)靶板距離上邊緣的80cm處位于同一水平面上.仿真圖像與試驗(yàn)照片對(duì)比如圖7所示.

圖7 仿真圖像與試驗(yàn)照片

將2塊靶板水平方向分成5等分，統(tǒng)計(jì)了破片分布，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表2所示.表中，N0，N1分別表示試驗(yàn)和仿真得到的靶板上各區(qū)間的命中破片數(shù)，相對(duì)誤差為

結(jié)果顯示仿真與試驗(yàn)的破片著靶總數(shù)基本一致，但在分布上有一定差別.相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，破片在第四區(qū)間更加集中.造成誤差的原因主要有兩方面：一是基于LS－DYNA的數(shù)值模擬因?yàn)椴牧夏Ｐ偷倪x擇和網(wǎng)格的劃分等導(dǎo)致的計(jì)算誤差，二是破片場的分布本身存在一定的隨機(jī)性.

表2 試驗(yàn)與仿真破片分布結(jié)果對(duì)比

2.3 虛擬打擊

使用此戰(zhàn)斗部對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行了打擊仿真，仿真圖像如圖8所示，圖中從彈體發(fā)出的射線顯示了命中目標(biāo)的破片的彈道軌跡.仿真結(jié)果指出命中目標(biāo)的破片數(shù)為432枚，穿透的有效破片為399枚，目標(biāo)損傷面積為25.5 m2，按照該雷達(dá)的毀傷特性得出其損傷程度為嚴(yán)重毀傷.

圖8 戰(zhàn)斗部打擊雷達(dá)目標(biāo)虛擬仿真

3 結(jié)論

本文建立了基于LS－DYNA計(jì)算結(jié)果的破片戰(zhàn)斗部虛擬打擊仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)適用于各種類型破片戰(zhàn)斗部的虛擬仿真，也可推廣應(yīng)用于其他類型戰(zhàn)斗部的威力仿真.該系統(tǒng)不僅能夠?qū)ζ破瑧?zhàn)斗部數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行破片場分析，給出每個(gè)破片的信息和破片場的分布，還能夠?qū)μ摂M目標(biāo)進(jìn)行打擊仿真，預(yù)測戰(zhàn)斗部的實(shí)戰(zhàn)效果.利用該系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和評(píng)估，能夠提高工作效率，同時(shí)減少靶場試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)的費(fèi)用.

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