破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)

王 慶，趙捍東，趙鵬鐸，張曉東，李 營,3

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161；3.武漢理工大學 交通學院， 武漢 430063)

破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)

王 慶1,2，趙捍東1，趙鵬鐸2，張曉東1，李 營2,3

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161；3.武漢理工大學 交通學院， 武漢 430063)

針對傳統(tǒng)破甲彈研發(fā)周期長、經(jīng)濟耗費大等問題，基于多種CAD/CAE軟件，在開發(fā)平臺上構建了破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)，使之能夠完成結構設計、分析計算、自動建模和仿真分析等功能；實例解析表明：該系統(tǒng)在破甲彈設計開發(fā)中操作簡便、人性實用，對破甲彈及其他彈藥的研發(fā)有一定指導意義。

破甲彈；數(shù)字化設計；仿真；二次開發(fā)；聚能戰(zhàn)斗部

破甲彈在以往反坦克、反裝甲作戰(zhàn)中扮演了重要的殺傷角色，但隨著武器裝備高新技術的不斷發(fā)展，比如復合裝甲、貧鈾裝甲、反應裝甲和主動防護系統(tǒng)的出現(xiàn)[1]，傳統(tǒng)破甲彈的優(yōu)點受到壓制?；诰勰苎b藥[2]反裝甲過程中的諸多優(yōu)點，當代戰(zhàn)爭中破甲彈的地位仍然不可取代，因此新型破甲彈的研發(fā)和研制迫在眉睫。

安二峰等[3]對破甲彈的應用研究主要集中在裝藥結構優(yōu)化方面，未能將整體結構與戰(zhàn)斗部參數(shù)結合考慮，試驗包含大量不理想數(shù)據(jù)，耗費比高。梅小寧等[4]證明了UG二次開發(fā)在參數(shù)化建模中具有可行性和有效性，可以用于CAE系統(tǒng)或多學科設計優(yōu)化體系。孫樂等[5]和王國輝[6]等通過數(shù)值模擬方法研究了破甲彈的侵徹效應，為破甲彈數(shù)字化設計與仿真計算起到了指導作用。智能化設計技術在常規(guī)彈藥破甲彈研發(fā)設計中的應用，將現(xiàn)代化計算機編程、參數(shù)化設計和虛擬仿真等技術大量應用于破甲彈的數(shù)字化設計開發(fā)過程中，必將極大地促進武器裝備技術創(chuàng)新發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設計

該系統(tǒng)基于Visual Studio開發(fā)平臺，通過編程對AUTOCAD、UG、Fluent等CAD/CAE軟件，以及Vega等視景仿真軟件的二次開發(fā)，有限元軟件如Hypermesh、ANSYS的調用，將這些軟件的功能集成到破甲彈數(shù)字化設計與仿真技術一體化軟件系統(tǒng)中，極大地解決了以往不同學科方向中的操作復雜等問題，破甲彈數(shù)字化設計與仿真技術一體化系統(tǒng)用戶界面的開發(fā)，使用戶對破甲彈的結構設計和分析計算、數(shù)據(jù)庫管理顯得更加方便、快捷，從而極大地提升了破甲彈的設計水平。

1.1 系統(tǒng)體系結構

基于多層次CAE的破甲彈數(shù)字化設計與仿真技術一體化軟件系統(tǒng)，在設計過程中采用四層體系結構進行開發(fā)，即管理層(Management Layer)、功能層(Function Layer)、接口層(Interface Layer)和驅動層(Driver Layer)，具體系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

圖1 破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)體系結構圖

1) Management Layer統(tǒng)攬整個軟件系統(tǒng)，主要是通過對功能層的七大功能模塊的開發(fā)和集成，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的集成化和開放性管理，方便后續(xù)進一步集成破甲彈工藝設計、快速成型等功能。

2) Function Layer主要面向用戶人機交互，通過開發(fā)操作方便、使用快捷的人機交互界面來實現(xiàn)。對專業(yè)軟件進行二次開發(fā)，建立方便用戶使用的專用設計、仿真和優(yōu)化環(huán)境。

3) Interface Layer包括數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口對各子功能模塊的模型、數(shù)據(jù)和文件等進行交換，為軟件集成和用戶交互提供基礎。接口為開放式接口，對后續(xù)的功能模塊給以支持。

4) Driver Layer是構建整個軟件的數(shù)據(jù)管理、三維參數(shù)化設計、虛擬仿真、虛擬試驗系統(tǒng)開發(fā)的所有軟硬件條件。UG軟件完成破甲彈零部件三維建模和裝配，Hypermesh軟件完成破甲彈整體及戰(zhàn)斗部的網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent軟件實現(xiàn)彈體氣動外形優(yōu)化設計及參數(shù)計算，ANSYS軟件實現(xiàn)彈體結構強度校核、戰(zhàn)斗部優(yōu)化設計和終點效應仿真分析計算，Vega進行虛擬裝配和仿真試驗系統(tǒng)的建模，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用來儲存各種設計指標、結構設計參數(shù)以及典型破甲彈結構參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用Visual C++相關專業(yè)[7]計算軟件，以及整個系統(tǒng)的開發(fā)。

1.2 軟件功能構架

破甲彈數(shù)字化設計與仿真技術一體化軟件系統(tǒng)，其功能構架如圖2所示，主要由彈體結構參數(shù)化設計、彈體氣動外形設計、內外彈道設計計算、結構強度校核、戰(zhàn)斗部參數(shù)設計及優(yōu)化、終點效應分析計算和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理等功能模塊組成。

彈體結構參數(shù)化設計主要包括彈體特征參數(shù)獲取、初步參數(shù)化特征建模、彈體外形參數(shù)化設計、彈體內部結構參數(shù)化設計、3D模型虛擬裝配等。支持設計方案的快速生成，完成產(chǎn)品詳細設計任務，同時為其他功能模塊設計計算提供基礎信息，而且根據(jù)其他功能計算的反饋，隨時更改彈體結構，同時采用虛擬視景仿真技術進行開發(fā)，可實時查看3D模型效果，保證彈體不同結構的精確安裝。

圖2 軟件功能示意圖

彈體氣動外形設計主要包括破甲彈發(fā)射到命中目標過程中的各種載荷建模和分析計算，氣動布局優(yōu)化設計，氣動參數(shù)的計算等[8]。在確定最優(yōu)氣動外形后，綜合終點毀傷效應，對彈體結構實時優(yōu)化。

內彈道設計計算主要包括裝藥設計分析計算、發(fā)射膛壓設計分析計算、炮口初速分析計算等，外彈道分析計算主要包括速度、彈道傾角、射程、射高、偏航、俯仰角、偏航角、滾轉角等，軟件開發(fā)過程中通過Matlab編程針對內外彈道分析計算，主要是為產(chǎn)品設計人員和工程分析人員提供工程化CAE方法，對產(chǎn)品的性能進行快速分析與仿真，從而實現(xiàn)在產(chǎn)品投入加工前，盡可能多的暴露設計過程中的問題，解決研制過程中的關鍵技術，優(yōu)化方案，提高武器研制質量。

彈體結構強度校核分析計算主要是通過經(jīng)驗公式和有限元分析方法對破甲彈各主要零部件的結構強度進行優(yōu)化設計和仿真，在材料選擇、結構優(yōu)化和彈丸發(fā)射環(huán)境下的過載環(huán)境分析，均在經(jīng)驗公式允許的誤差范圍內，有限元分析方法也應與典型相關試驗相對照，誤差小于10%。使其滿足實際使用的技術指標要求，也為后續(xù)進一步改進奠定基礎。

戰(zhàn)斗部參數(shù)設計及優(yōu)化是破甲彈設計與仿真過程中的關鍵技術環(huán)節(jié)，先進而又高效，適應不同裝甲的戰(zhàn)斗部是破甲彈發(fā)揮作用的基礎，實彈試驗參考價值高但是局限性大，可利用數(shù)值模擬預先提供參考。合理選用有限元軟件，運用合適的算法、網(wǎng)格、材料強度模型、材料本構關系、邊界條件和接觸等保證計算精度，條件允許的情況下可以和有關試驗對比，保證仿真的準確性。戰(zhàn)斗部尺寸和其他組件符合裝配要求。

終點效應分析計算包括炸高分析計算、靶板材料及分布方式和破甲后效損傷評估等，面對復雜的戰(zhàn)場環(huán)境，有限元軟件已經(jīng)足夠完成不同目標靶板的數(shù)值仿真。合理的有限元模型及計算方法是重點，仿真過程具體操作要求參照戰(zhàn)斗部參數(shù)設計及優(yōu)化中的具體要求。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理主要是完成破甲彈設計過程中經(jīng)驗公式計算結果數(shù)據(jù)、仿真分析數(shù)據(jù)和各種設計技術指標的保存和調用。同時還能夠完成數(shù)據(jù)的導入、導出、保存、修改和查詢等任務。這些子功能模塊主要是為了方便用戶對各種型號的破甲彈模型參數(shù)、結構設計參數(shù)、仿真分析和公式計算結果數(shù)據(jù)等協(xié)同管理，提高使用效率。

2 關鍵技術實例解析

戰(zhàn)斗部參數(shù)化設計及優(yōu)化是整個軟件系統(tǒng)中的關鍵技術環(huán)節(jié)，本文利用某型戰(zhàn)斗部幾何模型和仿真模型的數(shù)字化設計，說明關鍵技術環(huán)節(jié)的實現(xiàn)過程。

2.1基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化幾何建模流程

UG/Open API開發(fā)模式[9]支持C/C++語言，因此API程序可以方便地用到計算機語言中，并利用強大的計算機語言環(huán)境進行編譯。戰(zhàn)斗部幾何模型設計過程中，首先啟動程序調用，在UG環(huán)境下創(chuàng)建一個參數(shù)驅動模型，將這個模型保存起來作為模板，隨軟件運行次數(shù)增加，模板文件逐漸積累。再根據(jù)幾何特征提取的結構設計參數(shù)，編輯模板文件中的表達式參數(shù)值，選擇設計變量和輸出參數(shù)，設計相關變量文件，更新模板文件表達式，最后生成戰(zhàn)斗部三維模型。具體程序運行流程如圖3所示。

圖3 參數(shù)化建模流程

某型戰(zhàn)斗部參數(shù)化設計結果如圖4所示，在這一模板提供的幾何模型中，可修改和優(yōu)化的參數(shù)包括殼體直徑(D)，殼體厚度(H)，殼體長度(L)，藥型罩內徑(d1)，藥型罩錐角(α)，VESF板[10]錐角(β)，VESF板厚度(d2)，輔助裝藥高度(d3)。其他模板稍有不同。

圖4 某型戰(zhàn)斗部參數(shù)化設計結果示意圖

2.2 ANSYS/AUTODYN軟件調用示例

將建好的某型戰(zhàn)斗部三維模型通過編程自動生成二維CAD模型，如圖5所示。在CAD圖上進行幾何運算，為后續(xù)仿真分析提供方便，另一方面平面CAD圖紙工程實用意義大，可直接用于實際生產(chǎn)。

圖5 戰(zhàn)斗部二維CAD圖

調用ANSYS/AUTODYN非線性動力學軟件，進行某型戰(zhàn)斗部聚能裝藥作用分析，數(shù)值仿真采用Euler填充算法，戰(zhàn)斗部模型軸對稱，網(wǎng)格在射流形成通道處局部加密，加密處網(wǎng)格大小為0.2 mm×0.5 mm。藥型罩材料為COOPER，采用Shock狀態(tài)方程描述；殼體材料為STEEL 4340，采用Johnson-Cook強度模型；主裝藥為OCTOL，采用JWL狀態(tài)方程描述。單位制為mm-mg-ms。有限元模型及侵徹體成型過程如圖6所示。聚能射流頭部速度參照文獻[1]中的PER準定常理論及有關經(jīng)驗公式，仿真所得結果在合理范圍內，射流形態(tài)與文獻[11]對比可信度很高。

圖6 戰(zhàn)斗部聚能侵徹體成型示意圖

3 結論

破甲彈數(shù)字化設計與仿真軟件結合了CAE系統(tǒng)和多學科優(yōu)化體系，為破甲彈的開發(fā)研制提出了一種新的思路。

需要說明的是，實例解析中展示的戰(zhàn)斗部有限元模型及侵徹體成型過程為優(yōu)化后的圖形，侵徹體頭部速度和直徑為綜合意義上的最佳結果，在戰(zhàn)斗部參數(shù)化設計和優(yōu)化過程中，進一步顯示了一體化軟件系統(tǒng)的諸多優(yōu)點：

1) 將Vega虛擬視景軟件運用到系統(tǒng)中，較普通三維制圖軟件更為直觀，符合未來制造業(yè)發(fā)展趨勢。

2) 集成環(huán)境下，實現(xiàn)了破甲彈核心部件——戰(zhàn)斗部的智能化自動生成，使破甲戰(zhàn)斗部的迅速更新?lián)Q代成為可能。

3) 破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)軟件將整體都納入考慮范圍，避免了各學科方向獨立操作導致不兼容的問題，同時為其他不同彈藥的研發(fā)提供了一定研究基礎。

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(責任編輯周江川)

ReasearchonHighExplosiveAnti-TankProjectileDigitalDesignandSimulation

WANG Qing1,2, ZHAO Handong1, ZHAO Pengduo2, ZHANG Xiaodong1, LI Ying2,3

(1.College of Mechatronic Engineering,North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China;3.School of Transportation,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China)

In order to solve the problems such as long time period and large economic cost in the research and development of traditional high explosive anti-tank projectile, a digital design and simulation system is built on the development platform based on various CAD/CAE software, so that it can be completed structural design, analysis and calculation, automatic modeling and simulation analysis and other functions. Analysis of technology examples shows that the system is simple and practical in the design and development of HEAT projectile, which provides a theoretical basis for the future development of HEAT projectile and other ammunition.

HEAT projectile;digital design; simulation;secondary development; shaped warhead

2017-06-11；

2017-07-30

王慶(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷與艦船防護研究。

趙捍東(1960—)，男，博士，教授，主要從事彈藥毀傷與彈箭模擬技術研究。

裝備理論與裝備技術

10.11809/scbgxb2017.11.016

本文引用格式：王慶，趙捍東，趙鵬鐸，等.破甲彈數(shù)字化設計與仿真系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學報，2017(11):73-76,84.

formatWANG Qing,ZHAO Handong,ZHAO Pengduo,et al.Reasearch on High Explosive Anti-Tank Projectile Digital Design and Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):73-76,84.

TJ413.+2

A

2096-2304(2017)11-0073-04