鋼混結構靶標數(shù)字化快速建模方法研究

王良全，劉建榮，商 飛，孔德仁

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.中國兵器試驗測試研究院，陜西 渭南 714200)

1 引言

鋼混結構的侵徹毀傷問題是研究的熱點[1]，通常采用實彈打靶方式開展研究，危險系數(shù)大，成本高，需要耗費大量的人力物力，同時鋼混結構靶標澆筑固化周期長，制約著侵徹毀傷研究的快速高效發(fā)展[2]，鑒于此，鋼混結構模型侵徹過程的有限元仿真計算成為業(yè)內(nèi)關注的重點。但是鋼混結構有限元建模需要建模人員對ANSYS等軟件有較深入的掌握，建模時間長，技術人員承受大量重復勞動，負擔重，因此有必要針對鋼混結構靶標開展快速建模方法研究。目前國內(nèi)外很多研究人員對ANSYS進行二次開發(fā)，實現(xiàn)某一特定功能的有限元模型快速建立，大大簡化了模型建立過程中的復雜度。如：丁洋等[4]通過C#語言開發(fā)擦窗機立柱參數(shù)化有限元建模及結構分析軟件，并通過可視化界面將信息盡可能地反饋給用戶。韓志仁等[5]基于ANSYS Workbench軟件的DM模塊以及DS模塊進行二次開發(fā),建立專用的橡皮囊成形分析模塊,實現(xiàn)橡皮囊成形有限元模型的快速構建，與傳統(tǒng)有限元建模方法模擬結果吻合較好。饒華祥等[6]利用APDL和UIDL語言建立截止閥應力分析專用系統(tǒng)，分析截止閥在地震載荷下的應力變化情況。劉文凱等[7]利用 C++對ANSYS進行二次開發(fā)，建立了長輸供熱直埋彎管的有限元模型，并利用該有限元模型進行應力分析，結果表明，利用這種建模方式得出的結果比彈性抗彎鉸解析法得出的結果更加精確。候士通等[8]利用APDL語言個Matlab程序，開發(fā)了在變幅荷載條件下的大跨橋梁疲勞進行模擬分析軟件，實現(xiàn)了移動車載作用下大跨橋梁所有構件的疲勞壽命和疲勞失效概率可視化。馮玉賓等[9]采用ANSYS參數(shù)化設計語言APDL與用戶界面設計語言UIDL對ANSYS進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了RV減速器整機的參數(shù)化建模，并采用Pro/E進行運動學仿真對該模型進行了驗證。趙蒙屏等[10]基于用戶可編程特性(UPFS)和參數(shù)化設計語言(APDL)，將混凝土徐變模型和本構方程引入ANSYS。自定義編寫開發(fā)的混凝土溫度徐變應力計算模塊，可高效求解大體積混凝土在水化熱作用及天然冷卻下產(chǎn)生的溫度場及溫度徐變應力場，并得到溫度及應力的分布和變化規(guī)律。在各類文獻中，尚未發(fā)現(xiàn)針對戰(zhàn)斗部侵徹試驗用鋼混結構靶標開展快速建模的研究介紹。

LabVIEW平臺在爆炸毀傷瞬態(tài)參量測試領域應用廣泛，其二次開發(fā)模式主要有2種模式，第一種，采用UIDL語言和APDL語言結合進行，UIDL設計建模界面，APDL編寫建立模型的宏文件，從而實現(xiàn)建模軟件，該模式依賴于ANSYS本體界面，APDL編程的任意錯誤將會導致ANSYS軟件無法啟動，軟件也無法靈活的后期修改；第二種模式采用第三方軟件對ANSYS進行二次開發(fā)，目前多采用VC語言編寫軟件界面以及實現(xiàn)建模功能，ANSYS軟件留有第三方數(shù)據(jù)通信接口，實現(xiàn)起來較為容易[11-13]。在ANSYS二次開發(fā)文獻中尚未有利用LabVIEW開發(fā)的先例，考慮到鋼混結構侵徹計算后續(xù)軟件擴展及與第三方軟件數(shù)據(jù)接口問題，本文開展鋼混結構靶標數(shù)字化快速建模方法研究，首先分類現(xiàn)有通用鋼混結構類型，然后根據(jù)各類鋼混結構特點，設計各類結構數(shù)字化建模表征參數(shù)，最后大量統(tǒng)計分析各類表征參數(shù)，封裝各個典型鋼混結構分類參數(shù)庫，采用LabVIEW軟件構建鋼混結構數(shù)字化快速建模平臺，嵌入APDL語言自動生成有限元實體模型，快速導入ANSYS平臺，實現(xiàn)鋼混結構有限元模型的快速建立。

2 鋼混結構靶標模型數(shù)字化分類

根據(jù)目前鋼混結構靶標最終模擬對象以及當前靶標設計使用現(xiàn)狀，可將鋼混結構靶標分為單層靶標，多層靶標和成層靶標等3類典型結構。每一類模型在建立過程中涉及的材料種類存在一定的差異，總體包括四類材料，分別為混凝土、鋼筋、沙土和碎石，通過不同的材料組合建立具有不同力學性能的靶標模型。

單層鋼混結構靶標由混凝土和鋼筋組成；，如圖1(a)所示；多層靶標在模型結構上可視為由多個單層鋼混結構靶標通過一定的空間位置關系組合而成，如圖1(c)所示；成層靶標相似于多層靶標，在多層靶標中，每一層靶標之間具有一定的間隔距離和傾斜角度，成層靶標中靶標與靶標之間是相互連接的，但每一層材料類型不同，因此在區(qū)分成層靶標層數(shù)的時候可以根據(jù)材料的種類進行分類，如圖1(b)所示。

圖 1 3類靶標實物圖Fig.1 Physical map of three types of targets

3 鋼混結構靶標建模數(shù)字化表征參量研究

在建立有限元數(shù)值仿真模型時需要對靶標結構進行分析，研究不同類型靶標在建模過程中所需要的幾何參量，并對這些幾何參量進行提取分析，找到表征不同類型靶標結構需要的所有參量，通過表征參量建立所需要的靶標類型。

單層靶標結構設計圖如圖2，由圖中可以看出在建立一個單層鋼混結構靶標時需要的幾何參量如下所示：

1) 混凝土結構長、寬、高；

2) 鋼筋長度及橫截面積；

3) 鋼筋網(wǎng)絡密度(包括層數(shù)、單層鋼筋數(shù)量)；

4) 靶板安放角度；

當上述表征參量確定時，可使用ANSYS建立單層靶標有限元數(shù)值仿真實體模型。

圖2 單層靶標結構設計圖Fig.2 Single-layer target structure design drawings

多層靶標結構設計圖如圖3所示，在建立多層鋼混結構靶標時需要的幾何參量如下所示：

1) 各層靶標混凝土結構的長、寬、高；

2) 各層靶標鋼筋長度及橫截面積；

3) 各層靶標鋼筋網(wǎng)絡密度(包括層數(shù)、單層鋼筋數(shù)量)；

4) 靶板安放角度；

5) 靶標的層數(shù)；

6) 各層靶標之間的間隔距離；

當上述表征參量確定時，可使用ANSYS建立多層靶標有限元數(shù)值仿真實體模型。

圖3 多層靶標設計圖Fig.3 Multi-layer target design drawing

成層靶標結構設計圖如圖4所示，成層結構靶標數(shù)字化可以通過以下參量表征：

1) 各層靶標的長、寬、高及材料類型；

2) 鋼混結構層鋼筋長度及橫截面積；

3) 鋼混結構層鋼筋網(wǎng)絡密度(包括層數(shù)、單層鋼筋數(shù)量)；

4) 靶標安放角度；

5) 成層靶標的層數(shù)

當上述表征參量確定時，可使用ANSYS建立成層靶標有限元數(shù)值仿真實體模型。

圖4 成層靶標設計圖Fig.4 Design drawing of layered target

4 參數(shù)化建模平臺設計

4.1 參數(shù)化建模平臺總體設計

ANSYS并沒有預留與LabVIEW的數(shù)據(jù)通信接口，常見的Visual C++的開發(fā)模式不適用于LabVIEW，本文采用第三方程序調(diào)用的形式實現(xiàn)LabVIEW與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換，設計的鋼混結構靶標參數(shù)化建模流程如圖5所示。

圖5 鋼混結構參數(shù)化建模流程框圖Fig.5 Parametric modeling process of steel-concrete structure

在進行鋼混結構有限元建模時，主要涉及兩大部分，分別為材料參數(shù)屬性和靶標結構幾何參數(shù)。材料參數(shù)屬性主要包括鋼筋材料屬性、混凝土材料屬性、沙土材料屬性和磚墻材料屬性，材料的各個參數(shù)屬性需要根據(jù)不同的材料類型去確定,如混凝土的密度、體積彈性模量、剪切模量、切變強度、最大斷裂應變等[14-15]，不同的材料參數(shù)得到的混凝土模型強度也不一樣，同理，改變其余3類材料參數(shù)的屬性所得到的材料力學性能也不一樣。

靶標結構幾何參數(shù)主要包括建模起始坐標、靶標表征參量、網(wǎng)格劃分大小。生成指令流是按照上述輸入?yún)?shù)，采用ANSYS二次開發(fā)語言APDL生成建模所需要的指令。由于ANSYS在啟動的時候只會運行主程序默認的宏文件(.mac)，不會自動加載開發(fā)者編寫的命令流文件，所以需要將上述的命令流文件轉化為ANSYS能識別的宏文件，并將該宏文件添加到ANSYS的啟動目錄下。由于LabVIEW無法編譯ANSYS的命令流文件，需要LabVIEW向ANSYS發(fā)送第三方程序調(diào)用指令，以后臺軟件啟動的形式打開ANSYS，并運行上述鋼混結構靶標建模的宏文件，從而生成對應的有限元實體模型結構。

按照上述模型建模流程對鋼混結構靶標參數(shù)化有限元模型建模軟件進行設計開發(fā)，得到如圖 6所示的參數(shù)化建模操作平臺界面。

圖6 參數(shù)化建模操作平臺界面Fig. 6 Parametric modeling operation platform

4.2 鋼混結構靶標參數(shù)化建模模塊設計

不同類型靶標在建立有限元模型的時候需要用到不同種類的材料，需要輸入不同的結構尺寸和建模所需要的關鍵參數(shù)。根據(jù)實際需要，鋼混結構靶標模型主要運用到4種材料，分別為混凝土、鋼筋、沙土和碎石，根據(jù)ANSYS材料庫對材料參數(shù)屬性的定義，編寫各個材料參數(shù)屬性的輸入模塊。4種材料的屬性參數(shù)很多，以混凝土材料參數(shù)屬性輸入模塊界，其輸入模塊界面如圖7所示。定義一個材料具有很多的參數(shù)屬性，在實際建模過程中如果每次都一一輸入上述的各個參數(shù)需要花費較多的時間和精力，因此大量統(tǒng)計分析各類表征參數(shù)，將多種典型鋼混結構材料參數(shù)預存于數(shù)據(jù)庫中，使用時可以根據(jù)需要快速自動讀取對應的材料參數(shù)。

圖7 混凝土材料參數(shù)屬性輸入模塊界面Fig.7 Input module of concrete material parameter properties

考慮到ANSYS在進行單層靶標、多層靶標和成層靶標建立有限元模型時所需要的各類不同建模參數(shù)之間存在的差異性，開發(fā)了如圖8所示的3類靶標建模參數(shù)設計界面。

圖8 成層靶標設計模塊界面Fig.8 Layered target design module

對于單層靶標和多層靶標的設計而言，多層靶標的設計是將單層靶標按照一定的間隔進行排列所得，多層靶標的設計在一定程度上和單層靶標具有很大的相似性；對于單層靶標和成層靶標的設計而言，成層靶標是建立多個不同類型的單層靶標，不同點在于成層靶標每一層的幾何尺寸、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分都是獨立進行的，多個不同的單層靶標組合體才是成層靶標。在不同種類的靶標設計時，鋼混結構中不同的配筋率直接影響鋼混結構的強度，所以需要根據(jù)實際結構的配筋率計算鋼筋網(wǎng)靶的層數(shù)和鋼筋數(shù)量，從而滿足需要的鋼混結構強度需求。

4.3 鋼混結構靶標模型生成設計

ANSYS進行有限元模型建立過程中是通過編譯APDL語言寫成的命令流文件來實現(xiàn)的，3類靶標設計的各類參數(shù)需要通過LabVIEW編寫成命令流文件，ANSYS運行該命令流文件生成對應參數(shù)下的鋼混結構靶標模型。從3類靶標的命令流文件來看，其命令流組成結構流程如圖9所示。

圖9 APDL命令流組成結構流程框圖Fig.9 APDL command flow composition structure flow chart

采用LabVIEW的第三方程序調(diào)用指令，以命令行的形式打開ANSYS，并將上述鋼混結構靶標操作的宏文件自動添加到ANSYS啟動目錄下，使得ANSYS接到調(diào)用指令后自動加載靶標建模文件，在ANSYS主界面打開的同時，對應的鋼混結構靶標有限元模型也生成完畢。實際操作得到3類不同靶標的有限元模型結構如圖10所示。

圖10 3類靶標有限元實體模型示意圖Fig.10 Finite element model of three types of targets

結果表明其與在ANSYS中手動生成的模型數(shù)據(jù)尺寸保持一致，滿足有限元仿真模型要求。

建模平臺不需要更改所有材料的屬性參數(shù)或模型結構參數(shù)，只需要修改個別參數(shù)的值即可構建一個新模型，并將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，通過LabVIEW建立與數(shù)據(jù)庫之間的通信，實現(xiàn)建模參數(shù)的保存、修改和調(diào)用，大大降低了操作人員的工作負擔，節(jié)省了整個建模過程所花費的時間。

5 數(shù)字化建模方法驗證

為了驗證數(shù)字化建模方法的時效性及建模精度，利用上述數(shù)字化建模平臺建立某典型有限元靶標實體模型，進行某型彈丸侵徹四層靶標數(shù)值仿真分析驗證。彈丸初始速度為800 m/s，彈丸侵徹第一層靶標過程如圖11所示。

圖11 彈丸侵徹單層靶標仿真圖Fig.11 Projectile penetration into a single-layer target

經(jīng)過軟件實際操作，鋼筋混凝土結構重復建模時，典型條件下，由原先單人工費時2 h降低至0.4 h左右，建模時間縮短80%，大大提高了鋼混結構靶標建模效率。

仿真結束后對數(shù)據(jù)進行分析，彈丸侵徹4層靶標共計16 ms。其中第一層靶板侵徹加速度過載峰值約為 3 454g。侵徹第一層靶板后彈體速度由800 m/s降到786 m/s，經(jīng)過彈載加速度測試系統(tǒng)測試實際彈丸侵徹第一層靶板加速度過載峰值為2 782g，仿真加速度過載峰值與實測加速度過載峰值之間的相對誤差為24.155%，滿足彈體侵徹靶標數(shù)值仿真精度要求。

6 結論

1) 將常用侵徹靶標分類為單層靶標、多層靶標和成層靶標3類，常用靶標材料分為混凝土、鋼筋、沙土和碎石等4種，逐類型封裝成數(shù)字化模型庫。

2) 利用labVIEW平臺開發(fā)專用數(shù)字化建模軟件，在鋼混結構靶標實體與ANSYS軟件之間架設數(shù)字化轉換通道，構建了模型庫快速調(diào)用，有限元模型快速生成的高效平臺。

3) 利用數(shù)字化建模平臺對生成的模型進行有限元數(shù)值仿真實驗分析，仿真結果與實測結果的相對誤差為24.155%，滿足彈體侵徹靶標數(shù)值仿真精度要求，證明了該方法的有效性，為鋼混結構侵徹的高效計算提供了有力的建模分析手段，具有廣闊的工程應用前景。