彈丸侵徹混凝土靶面的數(shù)值模擬與分析

陳冬波 曾 炘

（1.南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第四采購(gòu)服務(wù)站，遼寧沈陽(yáng)110026）

0 引言

目前的檢靶技術(shù)，主要針對(duì)平面靶板的命中檢靶，對(duì)于工事類混凝土立體設(shè)施的命中檢靶研究較少，較為成熟的導(dǎo)電報(bào)靶和激波報(bào)靶方式均適用于平面及小目標(biāo)報(bào)靶，對(duì)于立體工事類目標(biāo)的報(bào)靶均不適用。工事類目標(biāo)的檢靶比較可靠的方法是檢測(cè)彈丸命中過(guò)程中的沖擊過(guò)載變化范圍及持續(xù)時(shí)間范圍，故本文利用有限元分析手段，提供了一種彈丸命中水泥工事的數(shù)值分析方法，為工事類目標(biāo)的檢靶技術(shù)研究提供一定的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 分析方法與流程

該分析為一個(gè)典型的顯式動(dòng)力學(xué)分析，目前，使用較為廣泛的顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件為ANSYS軟件中的LS-DYDA模塊，本分析擬采用該分析軟件進(jìn)行分析。

采用ANSYS軟件中的LS-DYDA模塊進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，需完成前處理、求解計(jì)算、后處理三個(gè)步驟。

（1）前處理即運(yùn)用ANSYS軟件構(gòu)建有限元分析模型，根據(jù)計(jì)算的精確度要求定義單元類型并劃分網(wǎng)格、定義材料參數(shù)，施加邊界固定約束及法面約束等約束，對(duì)動(dòng)力部件施加動(dòng)力源，如初速度、接觸算法等參數(shù)。

（2）求解計(jì)算在前處理完成后進(jìn)行，需選擇計(jì)算方法等參數(shù)。本分析采用Lagrange方法分析計(jì)算，求解計(jì)算時(shí)網(wǎng)格致密度不同，其計(jì)算時(shí)間也不同，故實(shí)際操作中，往往將受力分析主要部分網(wǎng)格劃分得致密些，將次要部分網(wǎng)格劃分得稀疏些，這樣既可保證計(jì)算精確度，又能保證計(jì)算時(shí)間不至于太長(zhǎng)。

（3）后處理階段需等待求解計(jì)算完成后進(jìn)行，可根據(jù)分析需要在軟件中選擇所需圖表、曲線等數(shù)據(jù)，如速度曲線、加速度曲線、位移曲線等數(shù)據(jù)。

以上為該分析的主要分析步驟，詳細(xì)流程如圖1所示。

2 構(gòu)建數(shù)值分析模型

在仿真與分析前先進(jìn)行數(shù)值模型構(gòu)建，該模型構(gòu)建與分析采用ANSYS有限元分析軟件。由于侵徹角度在實(shí)際情況下無(wú)法預(yù)見，本文主要分析侵徹過(guò)程中過(guò)載特性的量級(jí)范圍，此處只考慮垂直侵徹情況，故該分析可轉(zhuǎn)化為軸對(duì)稱分析。為減少分析過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間，模型可按實(shí)際模型的1/4進(jìn)行建模，建模后分別在模型邊界面及對(duì)稱面上施加固定約束和法面約束。

圖1 分析流程圖

建立靶面模型：混凝土靶板尺寸100 cm×100 cm×100 cm，泊松比μ=0.18，密度ρ=2.24×10-3kg/cm3，屈服應(yīng)力σ=1.0×108Pa，彈性模量E=2.06×1010Pa。

靶面模型如圖2所示，由于靶面尺寸遠(yuǎn)大于彈丸，故將與彈丸接觸的潛在區(qū)域網(wǎng)格劃分得致密一些，其余區(qū)域網(wǎng)格劃分得相對(duì)稀疏，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

圖2 混凝土靶面模型

建立彈丸模型：彈丸口徑122 mm，長(zhǎng)度80 cm，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.76×10-3kg/cm3，屈服應(yīng)力σ=1.62×109Pa，切線模量τ=2.435×109Pa，彈性模量E=2.07×1011Pa。

彈丸模型如圖3所示[1-4]。

3 求解及結(jié)果分析

以上模型構(gòu)建完成后，需設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如初速度、起點(diǎn)及計(jì)算時(shí)間等，并對(duì)靶面和彈丸的邊界施加固定約束，對(duì)對(duì)稱面施加法面約束。

圖3 彈丸模型

侵徹初始參數(shù)設(shè)置，彈丸到混凝土靶面初始距離為10 cm，彈丸初速度設(shè)置為400 m/s。設(shè)置參數(shù)后開始計(jì)算仿真，計(jì)算完成后，在軟件處理器中可查看到彈丸侵徹的過(guò)載曲線及侵徹過(guò)程模擬動(dòng)畫，侵徹過(guò)程狀態(tài)圖如圖4所示，侵徹位移、速度及加速度曲線分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 侵徹過(guò)程狀態(tài)圖

圖5 侵徹位移歷程曲線

圖6 侵徹速度歷程曲線

圖7 侵徹加速度歷程曲線

根據(jù)以上仿真計(jì)算結(jié)果分析，可得出彈丸侵徹過(guò)程最大加速度值、彈丸過(guò)靶后速度值、彈丸過(guò)靶時(shí)間等數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)

以上數(shù)值為根據(jù)仿真分析結(jié)果得出的分析數(shù)據(jù)，據(jù)此可延伸計(jì)算出彈丸侵徹靶面過(guò)程中一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)能及能量損失變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要采用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊對(duì)彈丸侵徹混凝土靶面進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，得到了彈丸侵徹混凝土靶面的過(guò)載特性數(shù)據(jù)。根據(jù)過(guò)載特性數(shù)據(jù)分析，彈丸在侵徹混凝土過(guò)程中會(huì)有較大的加速度及速度變化，可延伸計(jì)算出彈丸侵徹靶面前后一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化與能量損失，通過(guò)先進(jìn)傳感技術(shù)可檢測(cè)到該侵徹過(guò)程中靶面的振動(dòng)能量與強(qiáng)度級(jí)別，從而分析出彈丸是否著靶。

將該結(jié)果數(shù)據(jù)作為檢靶技術(shù)研究的理論依據(jù)，可減少檢靶技術(shù)研究過(guò)程中的實(shí)彈試驗(yàn)次數(shù)，縮短研究周期，降低產(chǎn)品研制成本，且本文分析方法也可為類似研究提供參考。