石油射孔彈數(shù)字化設計軟件開發(fā)

史毛毛，曹紅松，李士利，劉鵬飛

（1．中北大學機電工程學院，山西 太原030051；2．營口市雙龍射孔器材有限公司，遼寧 營口115000）

0 引 言

成型裝藥形成的聚能射流具有高溫、高速、侵徹能力強等優(yōu)點，廣泛應用于石油射孔彈及民用爆破工程等方面。聚能射流作為石油射孔彈的主要毀傷元，研究該問題主要方法有理論分析計算（工程計算）、科學試驗和數(shù)值仿真，而數(shù)值仿真已成為設計、科研的必要手段［1］，能更加清晰地分析聚能射流成型及侵徹靶板作用機理，對石油射孔彈的設計起到積極的指導作用。數(shù)值仿真技術的主流趨勢向著與CAD軟件集成、工作平臺多樣化和強強聯(lián)合開發(fā)等方向發(fā)展［2］。

研究聚能射流成型及侵徹數(shù)值仿真的過程主要包括CAD軟件建模、前處理分析、優(yōu)化求解等，這個過程是一個需要復雜的建模和前處理過程，為縮短石油射孔彈產(chǎn)品研發(fā)周期、提高設計仿真水平質(zhì)量，射孔彈企業(yè)及科研院所都在致力于構建完善的專用數(shù)字化平臺。在此背景下，針對聚能射流問題，設計開發(fā)了一種石油射孔彈數(shù)字化設計平臺，實現(xiàn)了石油射孔彈的三維參數(shù)化自動建模、結構參數(shù)的優(yōu)化設計、工程計算、自動數(shù)值仿真等功能，為石油射孔彈設計人員提供了快捷、方便、具有良好交互界面的優(yōu)化設計平臺。

1 總體方案設計

1．1 需求分析與功能設計

平臺軟件基于VC＋＋6．0編程工具實現(xiàn)，集成UG、ANSYS／LS－DYNA等軟件并實現(xiàn)可視化界面操作，利用聚能射流工程算法和實驗數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)及數(shù)值計算分析等相結合模式，為用戶提供成型裝藥設計中有關選型、參數(shù)設置修改、型號參數(shù)建議等功能。同時，建立相關聚能射流設計知識、專家知識、石油射孔型號參數(shù)、聚能射流形成及破甲過程的仿真知識等數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)庫管理功能，方便設計人員在設計過程中進行查詢及參考。

平臺實現(xiàn)的主要功能：在石油射孔彈設計方面，實現(xiàn)了基于模板的參數(shù)化三維模型設計；在終點效應仿真方面，利用參數(shù)化設計的三維模型，實現(xiàn)了毀傷過程數(shù)值仿真的自動建模及計算；設計與仿真模型共用，實現(xiàn)了成型裝藥的協(xié)同設計，軟件功能框圖見圖1。

圖1 石油射孔彈數(shù)字化設計軟件功能框圖

1．2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)庫包含相關聚能射流設計知識、專家知識、仿真知識及石油射孔彈產(chǎn)品參數(shù)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可進行添加、刪除、修改等管理。設計、仿真、參數(shù)、報告等統(tǒng)一由底層數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)庫的主要功能是為各功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐［3－4］，設計人員在軟件平臺下可以方便地查詢并瀏覽射孔彈各型號下各部分（藥型罩、裝藥和彈體）的圖形數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)（材料結構強度等參數(shù)信息）及總體的仿真動畫數(shù)據(jù)，并反饋信息指導再次參數(shù)化設計，對其添加、修改和刪除等操作。數(shù)據(jù)庫的訪問控制可以實現(xiàn)對不同標識的用戶訪問資源權限（建立、撤銷、查詢、添加、修改、刪除等）的控制和對共享資源的保護。數(shù)據(jù)管理功能示意圖見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)管理功能示意圖

2 關鍵技術實現(xiàn)

石油射孔彈數(shù)字化設計軟件涉及到的主要技術有三維參數(shù)化自動建模、初步毀傷計算及結構參數(shù)優(yōu)化設計、自動數(shù)值仿真、數(shù)據(jù)管理及知識庫等模塊的建立，其中關鍵技術實現(xiàn)如下。

2．1 三維參數(shù)化自動建模

三維參數(shù)化自動建模模塊是通過UG軟件的二次開發(fā)實現(xiàn)，由藥型罩參數(shù)化設計、彈體參數(shù)化設計和自動裝配3部分組成。設計人員根據(jù)設計指標，選擇三維參數(shù)化自動建模模塊，程序?qū)⒎治鏊璧脑O計指標，給出在現(xiàn)有型號的基礎上修改能達到此設計指標的一系列方案，設計人員可根據(jù)方案進行選型。裝配模型還可以實現(xiàn)校核，自動干涉檢查。例如，以通過修改底部內(nèi)徑Φ1、底部外徑Φ2、錐角α等參數(shù)改變藥型罩的尺寸，從而實現(xiàn)對藥型罩的參數(shù)化設計（見圖3）。

從模型中得到圖形元中的關鍵點信息，通過APDL語言進行數(shù)值仿真建模并通過批處理文件對自動生成的K文件進行求解，求解結束后調(diào)用后處理器進行仿真結果的后處理。

2．2 結構參數(shù)優(yōu)化設計

成型裝藥的結構參數(shù)優(yōu)化設計方法是一種以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用聚能破甲毀傷工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有結構的成型裝藥產(chǎn)品進行再創(chuàng)造。對于已知幾何外形的成型裝

圖3 藥型罩參數(shù)化設計

藥結構，依據(jù)聚能射流的工程毀傷計算相關原理編譯相應的求解程序；根據(jù)預達到的毀傷效果，對在一定范圍內(nèi)的參數(shù)通過二次序列法的優(yōu)化方法進行優(yōu)化計算，得出合理的結構參數(shù)，進而通過數(shù)值計算驗證結果。其優(yōu)化設計流程及結構參數(shù)優(yōu)化設計功能模塊界面見圖4。

圖4 優(yōu)化設計流程及其功能模塊示意圖

3 數(shù)字化設計平臺的開發(fā)與驗證

3．1 平臺實現(xiàn)案例

對參數(shù)范圍為藥型罩外口徑40～45mm，步長0．5mm，外錐角為40°～45°，步長0．5°，球頂寬度為2～3mm，裝藥高度為1．8倍外口徑（其他尺寸為從動尺寸）的成型裝藥結構進行三維參數(shù)化自動建模及結構參數(shù)優(yōu)化設計，并進行數(shù)值計算驗證。

進入平臺系統(tǒng)后，建立新的工程，調(diào)用平臺進入三維參數(shù)化自動建模功能模塊，建立藥型罩結構以及相應的裝藥和殼體（見圖5），以此為產(chǎn)品型號類型進行結構參數(shù)優(yōu)化設計。調(diào)用數(shù)據(jù)庫對各材料參數(shù)進行定義，選擇材料型號和毀傷靶板信息，進行工程計算。其中，藥型罩為銅，炸藥為黑索今，殼體及靶板為45號鋼，進入如圖4所示的結構參數(shù)優(yōu)化設計功能模塊優(yōu)化計算。對計算結果中幾種效果明顯高于其他方案的結果進行優(yōu)選總結并調(diào)用平臺進行數(shù)值仿真計算，結果見表1。

圖5 自動建模及自動生成仿真模型

利用設計的平臺通過工程計算并對優(yōu)化結果進行優(yōu)選，在所選定參數(shù)范圍內(nèi)，外錐角為45°、內(nèi)錐角為44°的結果組的穿深和孔徑相對于其他組參數(shù)而言是最優(yōu)解組。由表1結果比較可以看出，利用平臺自動建模及仿真得到的結果與理論上的工程計算結果差異最大的為5．53%，平臺得到的仿真結果在工程上可以接受。

3．2 平臺結果驗證

為了驗證平臺對設計的指導意義，對表1中破甲深度及孔徑最大的一組解，即外錐角為45°，內(nèi)錐角為44°，藥型罩外徑為44．5mm，內(nèi)徑為42．5mm，進行試驗驗證。圖6為試驗裝置及部分試驗結果圖，表2為驗證試驗結果。

驗證試驗一共進行了5發(fā)彈試驗。由表2可知，平均破甲深度為215．4mm，應用平臺得到的仿真結果與試驗結果相差4．45%，平均孔徑為12．28mm。應用平臺得到的仿真結果與試驗結果相差0．7%，試驗結果與文中設計的平臺基本一致，驗證了平臺設計結果的可靠性及可行性。

表1 優(yōu)選計算結果與仿真結果對比

圖6 試驗裝置及部分結果圖

表2 驗證試驗結果

4 結 論

（1）石油射孔彈數(shù)字化設計軟件實現(xiàn)了包括外掛CAD、CAE軟件、聚能射流的工程計算、正交優(yōu)化計算、毀傷效能評估、數(shù)值計算、數(shù)值仿真自動建模等功能模塊在內(nèi)的建立。

（2）在集成環(huán)境下，實現(xiàn)成型裝藥結構藥型罩、殼體、裝藥等結構的參數(shù)化設計，自動計算和獲取毀傷元模型結構參數(shù)。

（3）通過對聚能射流毀傷的優(yōu)化設計流程中的每一過程參數(shù)的關聯(lián)、數(shù)據(jù)傳遞和分析，實現(xiàn)設計流程的自動運行、幾何模型預覽、分析仿真結果的可視化。

（4）實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對平臺內(nèi)各功能模塊的數(shù)據(jù)支撐，便于進行設計資料的調(diào)用、查詢與瀏覽，提高設計效率。

通過對石油射孔彈數(shù)字化設計仿真技術的研究，完成了其參數(shù)化設計、結構優(yōu)化設計、終點效應仿真等功能模塊的開發(fā)，并通過試驗驗證了平臺設計的結果。結果表明，應用平臺對射孔彈技術研究是可行的，平臺設計結果可為進一步設計及優(yōu)化提供指導。

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