基于有限元分析的装甲目标毁伤

兵工自动化2010-04OrdnanceIndustryAutomation29(4)·34·doi:10.3969/j.issn.1006-1576.2010.04.011基于有限元分析的装甲目标毁伤黄贡献1，葛世锋1，何科霖2（1.解放军炮兵学院南京分院，江苏南京211132；2.中国人民解放军66043部队司令部，山西大同037034）摘要：装甲目标毁伤分析是改进和提高弹药与武器装备的重要手段。为克服传统目标毁伤方法的缺点，在简述有限元分析基本原理和步骤的基础上，利用ANSYS/LS-DYNA模拟了某杀伤爆破榴弹爆炸产生破片场的全过程，分析了不同质量破片对防护装甲的毁伤和不同距离炸点产生的破片对防护装甲的毁伤，为准确评估目标毁伤，改进弹药和防护装甲提供了有利依据。经过结果数据比较，证明了该方法的有效性。关键词：目标毁伤；有限元分析；效果评估；数值模拟中图分类号：N945.1文献标识码：AArmorTargetDamageBasedonFiniteElementAnalysisHUANGGong-xian1,GEShi-feng1,HEKe-lin2(1.Dept.ofNanjing,ArtilleryAcademyofPLA,Nanjing211132,China;2.CommandHeadquarter,No.66043UnitofPLA,Datong037034,China)Abstract:Analysisofthearmortargetdamageisanimportantmeasureofdevelopingtheshellandarmament.Inordertoconquertheshortageoftraditionalmethod,theprocessofchippingfieldproducedbysomehigh-explosiveshellwassimulatedbyANSYS/LS-DYNA,thedamageofprotectivearmorbydifferentqualitychippinganddifferentdistanceburstwasalsoresearchedbasedonthebasicprincipleandprocessofthefiniteelementanalysis,whichprovidedtheadvantagedgistforproperevaluationoftargetdamagetoimprovetheshellandprotectivearmor.Themethodwasprovedtobevaliditybytheresultdatacompare.Keywords:Targetdamage;Finiteelementanalysis;Effectevaluate;Digitalsimulation0引言随着军队信息化革命的深入，各国军队越来越重视提高弹药和武器装备性能，如何准确地对目标毁伤的效果进行评估已成为各国军队越来越重视的研究课题。传统的目标毁伤研究通常是采取毁伤试验和概率统计的方法进行概略计算，其所获得的计算结果已不能完全满足准确评定目标毁伤情况以及促进弹药和武器装备研发与改进的需要。有限元分析方法不仅可以大大减小试验带来的风险，而且可以实现目标毁伤效果的可视化，并通过离散复杂模型进行显式动力学分析的方法来求解出目标毁伤效果的模拟数据，为准确评估目标毁伤以及进行二次开发提供数据支撑。故对基于有限元分析的装甲目标毁伤进行研究。1有限元分析基本原理及步骤有限元分析方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是将弹塑性力学理论、计算数学和计算机软件结合在一起的一种数值分析技术，如图1。由图1可知，有限元分析方法主要解决以下问题：弹性连续体的离散化、选择单元位移模式、单元力学特性分析、非节点载荷的位移、计算单元应力等。求解过程总体归纳就是一个联合建模求解的技术过程。如图2，可以分为前处理、求解与过程控制和后处理3个阶段。结构离散化、输入或生成有限元网络计算单元刚度矩阵形成总刚度矩阵形成节点载荷向量计算并输出单元应力输出节点位移求解线形、非线形方程组引入约束条件图1有限元求解程序的内部过程后处理ANSYS:POST求解与过程控制（LS-DYNA计算）用户编辑修改K文件ANSYS生成LS-DYNA关键字K文件CATIA建立几何模型（AutoCAD）ANSYS前置处理（建立有限元模型）图2CATIA-ANSYS-LS-DYNA联合建模求解技术流程2目标毁伤的有限元分析与实现收稿日期：2009-10-27；修回日期：2009-12-18作者简介：黄贡献(1979-)，男，河南人，炮兵学院南京分院射击教研室讲师，少校，从事作战指挥基础理论研究。黄贡献，等：基于有限元分析的装甲目标毁伤·35·第4期2.1有限元分析模型的建立弹丸对装甲目标的毁伤过程是一个复杂的系统过程。在建模过程中，主要将其分为2个部分：一是弹丸部分，二是装甲目标部分。榴弹的毁伤方式主要包括冲击波毁伤、破片毁伤、侵彻毁伤、爆破毁伤等。弹丸对装甲目标的毁伤过程需要涉及到多种介质和材料，材料模型选择如表1～表3。某杀伤爆破榴弹的有限元模型如图3，某自行火炮射管的有限元模型如图4。表1通用标准钢材料参数材料密度ρ(3kg/m）材料本构模型弹性模量E(Pa)泊松比ν屈服强度0yσ(Pa)7.83E+03弹性—理想塑性带应变失效2.068E+110.301.04E+09表2TNT炸药的材料参数材料密度ρ(3kg/m）材料本构模型爆速D(m/s)CJ(Chapman-Jouget)压力（N）燃烧标识BETA单位体积初始内能（J）1.66E+03理想塑性7.0E+032.70E+0607.0E+03表3空气的材料参数材料密度ρ(3kg/m）材料本构模型截止压力（N）动态粘度系数μ拉伸与压缩侵蚀相对体积弹性模量与泊松比1.25E+00弹性≤0.001仅适用于梁和薄壳单元2.2目标毁伤的有限元分析选择某杀伤爆破榴弹对装甲目标的毁伤分析。采用统一的单位制：cm-g-μs；落速均取值为306m/s（射距离12km时，查射表获得）。破片初速是破片的重要性能参数，直接影响着破片的杀伤威力。以弹丸装定瞬发引信、弹丸命中角为90°为例，利用有限元分析软件成功模拟了某杀伤爆破榴弹由爆炸产生破片场的全过程，图5分别是弹丸引爆后50μs、200μs、300μs、500μs时的破片场应力云图变化情况。图3某榴弹弹丸有限元模型图4某自行火炮身管有限元模型图550、200、300、500μs时的破片场应力云图为便于对弹丸壳体不同位置形成的破片速度进行分析，如图6所示分别选取弹丸底部至顶部的5个区域部分的破片节点，以得到弹丸爆炸形成破片场的相关结论，进而研究其杀伤范围及杀伤效能。利用ANSYS/LS-DYNA求解器计算求解，然后利用后处理软件LS-PREPOST提取计算结果文件，分析得到相应破片节点的速度时间变化曲线、位移时间变化曲线，分别如图7和图8。兵工自动化·36·第29卷图6某榴弹剖面及破片节点示意图AAAAABBBDBBCCCCDDDEEEEEB0100200300400500600700800Time(E+2)0.10.080.060.040.020min=0max=0.1185Nodeno.A227B225C223D229LS-DYNAuserinputResultantVelocityE89图7对应各破片节点的速度变化曲线0100200300400500600700800Time(E+2)2520151050ResultantDisplacement(E+2)LS-DYNAuserinputNodeno.A227B225C223D229AAAABBBBDDDDCCCCEDEEEEEE89min=0max=29.9699图8对应各破片节点的位移变化曲线准确判断破片是否能够侵彻穿透钢板以及在穿透后是否具有有效杀伤动能成为分析破片对装甲目标毁伤效果的关键问题。如图9和图10，质量为3g的球形破片以1185m/s的初速度垂直入射厚度为15mm的防护钢板，而当侵彻深度达到7.1891mm时，破片自身几乎完全破损失效，其自身的侵彻速度也已经从1185m/s降至0m/s。当破片质量分别取3g、5g、8g，并分别以30°、60°、90°的命中角侵彻钢板时，可以得到如表4的防护钢板相应的侵彻深度。经有限元分析，身管在受到高速破片（破片质量8g、速度1185m/s）的冲击后，由于应力作用会在身管内膛产生不同程度的凸起现象。如图11，身管内膛最大凸起量可达到3.7659cm。当火炮身管内膛产生如此大的凸起部时，必将使该装甲目标丧失射击能力，从而成功达到毁伤该装甲目标的目的。0102030Time0.750.60.450.30.150ResultantRigidBodyDisplacementmin=0max=0.71891LS-DYNAuserinputAAA图9破片侵彻钢板深度变化曲线示意图Timemin=0max=0.118501020300.140.120.10.080.060.040.020LS-DYNAuserinputResultantRigidBodyVelocityAAA图10破片侵彻钢板速度变化曲线示意图表4不同质量破片以不同命中角侵彻15mm防护钢板球形破片质量（g）破片侵彻角度侵彻深度（mm）破片剩余速度（m/s）备注30°5.520破片破损完毕60°6.930破片破损完毕390°7.190破片破损完毕30°7.110破片破损完毕60°8.900破片破损完毕590°13.010破片破损完毕30°7.630破片破损完毕60°10.500破片破损完毕890°15.00147.7破片穿透钢板00.511.52Time(E+3)min=0max=3.76593210ResultantDisplacementLS-DYNAuserinputA2567Nodeno.AAAA图11破片冲击使身管内膛产生凸起的变化曲线示意图选取炸点离目标0.5m、2m、4m三个距离，分别对目标受力面承受的冲击波压力进行分析，以判断是否可以对自行火炮防护装甲造成有效毁伤。具体分析结果如表5。黄贡献，等：基于有限元分析的装甲目标毁伤·37·第4期表5不同距离上弹丸爆炸毁伤对目标防护装甲造成的毁伤情况炸点与装甲目标受力面距离（m）等效防护装甲厚度（mm）钢板承受冲击波压力最大值（Pa）实际毁伤的毁伤模拟效果0.515251.14E+11装甲出现明显失效形变和一定程度的钢板破损现象。装甲出现明显凹陷变形，但未出现塑性失效现象。2.015256.69E+07钢板出现轻微凹陷变形，但钢板未出现破损现象。4.015253.60E+05防护装甲未发现变形现象。3结论通过利用ANSYS/LS-DYNA程序对某杀伤爆破榴弹毁伤某型自行火炮类装甲目标的数值模拟，综合分析毁伤数据可以得到如下毁伤结论：1)在弹丸直接命中自行火炮上、侧装甲条件下，质量≤8g、初速≤1185m/s的破片是无法对防护装甲造成有效毁伤的。而质量大于8g且具有大初速的破片可以有效侵彻防护装甲，但是这部分破片所占比例不到破片总数的34.5%，且大质量破片一般都是由弹体底部、头部产生，它们的初速远远达不到1185m/s，所以，在命中条件下破片对自行火炮装甲的毁伤是非常有限的。同时，当破片飞行2m后，其速度已经降到了1000m/s以下。由此，当弹丸在非命中条件下且炸点距离防护装甲2m以外时，所形成的破片是无法对自行火炮形成有效毁伤的。换言之，该型自行火炮防护装甲可以对2m外爆炸形成的破片毁伤形成有效防护。而由试验测得某杀爆榴弹破片场可以对轻型装甲目标形成1.52m的有效毁伤半径。2)弹丸在命中目标防护装甲时，可以对防护装甲造成直接毁伤；而对于非命中情况，由表5可知，当炸点距离目标小于0.5m时，同样可以造成防护装甲一定程度的破损毁伤；当炸点与目标的距离逐渐增加到2m时，由于冲