CN105740557A - 一种密集破片穿甲能力估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种密集破片穿甲能力估计方法，属于弹丸穿甲作用模拟方法，解决现有弹丸穿甲作用模拟方法中缺乏破片群对防护结构侵彻时计算方法问题，用于指导导弹战斗部近距爆炸后形成的密集破片侵彻下防护结构抗弹性能设计。本发明包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤。本发明可快速、简便地实现密集破片穿甲能力等效为单破片侵彻能力的计算，为战斗部近炸下防护结构设计时以破片群载荷为毁伤设计载荷提供了理论指导，具有实用价值。
Description
技术领域
本发明属于弹丸穿甲作用模拟方法，具体涉及一种密集破片穿甲能力估计方法，用于指导导弹战斗部近距爆炸后形成的密集破片侵彻下防护结构抗弹性能设计。
背景技术
冲击波和破片是常规武器对目标的主要杀伤手段。由于冲击波传播过程中强度衰减迅速，所以其杀伤范围十分有限；破片在远距离飞行后仍能实现对目标的机械效应及引燃引爆效应等毁伤破坏，因此，近年来国内外着重开展了如何利用破片实现对目标最大限度杀伤的研究，包括增强侵彻能力、增大杀伤面积、提高命中精度等，并相应设计了各类常规战斗部，如聚能破甲战斗部、破片战斗部、穿甲侵彻战斗部。
对此，结构防护工程领域提出了以金属面板、维增强复合材料抗弹材料为基础的装甲防护结构以抵御破片穿甲破坏，并已将其广泛地应用于轻型装甲车辆、舰船、坦克和直升机等目标结构。装甲防护结构的设计思路一般是先根据防御目标和等级提出相应的目标弹丸，并根据其单发侵彻能力采用理论、有限元等方法进行防护结构设计，最后开展弹道侵彻试验验证。
而现代战斗部主要形式中的破片战斗部和反舰半穿甲战斗部其均是依靠爆炸后形成的高速破片群实现对空中、地面和水上作战装备及有生力量的杀伤，特别是近炸下产生的破片群往往几乎同时到达并一齐侵彻目标防护结构，当破片相互间距在一定范围内时，其分别在着弹点形成的应力波将在弹体侵彻过程中产生相互叠加，使该局部区域能量密度及能量持续时间大幅增加，进而破片更容易穿透靶板，即破片的侵彻能力产生增强效应。
因而，根据单发破片侵彻能力为设计载荷所设计的防护结构在密集破片群侵彻时并不一定满足防护能力要求，导弹战斗部近炸下防护结构设计时应以破片群侵彻能力而不是单发破片侵彻能力为毁伤设计载荷。但由于破片群侵彻下应力波之间复杂的叠加增强效应，理论研究破片群的侵彻能力十分复杂。同时，当前试验条件下也很难开展密集破片群侵彻试验研究。
本发明中所涉及的术语“着靶角”，是指弹丸着靶时的弹道切线与靶板表面外发现的夹角。
发明内容
本发明提供一种密集破片穿甲能力估计方法，解决现有弹丸穿甲作用模拟方法中仅能计算单发破片对防护结构的侵彻能力，缺乏破片群对防护结构侵彻能力计算方法问题，为战斗部近炸下防护结构以破片群载荷为毁伤设计载荷提供理论指导。
本发明所提供的一种密集破片穿甲能力估计方法，包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤，其特征在于：
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，包括设定单个破片形状、单个破片几何尺寸、破片材料、力学参数及弹塑性本构模型、破片数量、破片间布局尺寸、单元类型、各破片撞击初始速度和各着靶角；
(1.2)建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式、几何尺寸、材料种类、力学参数及正交异性本构模型、边缘约束条件；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为芯层厚度的0.05～0.2倍，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触，防护结构为两层面板或三层夹芯板时各层间采用面面自动接触；
(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数，迭代时间步数1000步，CPU核数为4核、内存分配4×108字节；
(1.5)输出建模信息，将其提交给非线性动力学分析有限元程序进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用具有几何建模、网格划分、施加载荷功能的有限元建模商业软件进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：
(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；
当Ai小于加速度阈值X时，判断是否Vi均小于速度阈值Y，是则进行子步骤(2.2)；否则防护结构已穿透，进行子步骤(2.3)；
(2.2)判断是否所有破片均在防护结构网格范围内，是则防护结构未穿透，进行子步骤(2.4)；否则防护结构临界穿透，进行子步骤(2.3)；
所述加速度阈值X为0.05m/s2～1m/s2，所述速度阈值Y为撞击初始速度V0的0.02～0.05倍；
(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm，称为最强穿透破片；进行步骤(3)；
(2.4)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm的破片，称为最大侵深破片，进行步骤(4)；
(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；过程(3.1.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；
(3.2)利用有限元后处理软件，分别读取最强穿透破片加速度As-时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs-时间t历程曲线；当As<X时，读取最强穿透破片速度Vs；
(3.3)判断是否Vs<Vm，是则进行子步骤(3.4)，否则进行子步骤(3.5)；
(3.4)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；
(3.5)判断是否Vs＝Vm，是则进行子步骤(3.7)；否则进行子步骤(3.6)；
(3.6)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.6.1)～(3.6.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.6.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度减短0.1倍；过程(3.6.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(3.7)计算终止，读取最强穿透破片长度，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该穿透等效破片侵彻能力等效相同；
(4)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(4.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.1.1)～(4.1.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.1.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；
(4.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取该最大侵深破片侵彻深度Hs；
(4.3)判断是否Hs<Hm，是则进行子步骤(4.4)，否则进行子步骤(4.5)；
(4.4)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.4.1)～(4.4.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.4.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度增大0.1倍；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(4.5)判断是否Hs＝Hm，是则进行子步骤(4.7)；否则进行子步骤(4.6)；
(4.6)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.6.1)～(4.6.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.6.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度减短0.1倍；过程(4.6.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(4.7)计算终止，读取最大侵深破片长度，将该长度的最大侵深破片作为未穿透等效破片，进而得到未穿透等效破片几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
所述的密集破片穿甲能力估计方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述有限元建模商业软件，包括美国ANSYS公司的ANSYS、美国MSC公司的PATRAN、美国XYZ公司的TRUEGRID、美国Altair公司的HYPERMESH；
所述子步骤(1.1)中，所述单个破片形状为长方体、圆柱体、锥柱体中的一种，所述锥柱体为一端是圆锥的圆柱体；
所述单个破片几何尺寸，对于长方体、几何尺寸为长度L、宽度a、厚度b，a＝1mm～50mm、b＝1mm～50mm；对于圆柱体、几何尺寸为直径d和长度L，d＝1mm～50mm；对于锥柱体、几何尺寸为锥角θ、直径d、长度L，θ＝0°～180°；所述长度L是指其轴线撞击方向尺寸，L＝1mm～100mm；
所述破片材料为钢、铜、铅合金、钨合金、钛合金或铝合金；其力学参数见下表：
所述弹塑性本构模型为塑性随动材料模型(Mat_Plastic_Kinematic)、约翰库克材料模型(Mat_Johnson_Cook)；
所述破片数量N0＝2～200枚；
所述破片间布局尺寸为破片等间距分布、不等间距分布，其中，任两破片间距Si＝0.01L～100L；
所述单元类型为三维实体单元，包括solid164、solid186、solid185；
所述各破片撞击初始速度均为V0，V0＝50m/s～3000m/s；
所述各破片着靶角均为ω，ω＝0～90°。
所述子步骤(1.2)中，所述防护结构型式为单层面板、两层面板或三层夹芯板，形状均为矩形板；
所述几何尺寸为矩形板的长度La＝5(Si)max～50(Si)max，宽度Lb＝5(Si)max～50(Si)max，厚度hf＝0.01(Si)max～10(Si)max；
所述材料种类，单层面板为纤维增强复合材料；两层面板中，一层为纤维增强复合材料、另一层为金属材料；三层夹芯板中，夹芯层为纤维增强复合材料，另外两层为金属材料；所述金属材料为钢、铜、铝合金、钛合金；所述纤维增强复合材料为高强聚乙烯纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、高强玻璃纤维增强复合材料；
纤维增强复合材料力学参数见下表：
所述正交异性本构模型包括复合损伤材料模型(Mat_Composite_Damage)、增强复合损伤材料模型(Mat_Enhanced_Composite_Damage)、复合失效体材料模型(Mat_Composite_Failure_Solid_Model)、复合纤维层合材料模型(Mat_Laminated_Composite_Fabric)；
所述金属材料力学参数同子步骤(1.1)；
所述防护结构的边缘约束条件为固支、剪支、自由；
所述子步骤(1.5)中，所述非线性动力学分析有限元程序为商业软件，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型类型非线性问题，包括美国LSTC公司的LS-DYNA、美国MSC公司的DYTRAN、美国CenturyDynamics公司的AUTODYN。
所述的密集破片穿甲能力估计方法，其特征在于：
所述步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)中，所述有限元后处理软件为商业软件，能够提取运动学和变形力学数据并可以对破片群侵彻防护结构过程进行图形显示，包括美国LSTC公司的Ls-prepost、美国ANSYS公司的ANSYS；
所述子步骤(2.2)中防护结构网格范围为通过单元空间坐标确定的防护结构所占空间范围。
本发明基于数值方法将密集破片穿甲能力等效为单破片侵彻能力，解决现有弹丸穿甲作用模拟方法中缺乏破片群对防护结构侵彻能力计算方法问题。计算完毕后通过破片加速度、速度并结合防护结构网格范围三个指标判断破片群对防护结构的穿透状态，并针对不同穿透状态分别进行穿甲能力等效计算。所选用商业软件均为通用软件，操作简便，易于实现。本发明可快速、简便地实现密集破片穿甲能力等效为单破片侵彻能力的计算，为战斗部近炸下防护结构设计时以破片群载荷为毁伤设计载荷提供了理论指导，具有实用价值。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为判断防护结构穿透状态步骤流程框图；
图3为确定穿透等效破片步骤流程框图；
图4为确定未穿透等效破片步骤流程框图；
图5为实施例一中破片群布局尺寸侵彻防护结构示意图；
图6为实施例一中破片群中某一破片加速度-时间变化历程曲线；
图7为实施例一中破片群中某一破片速度-时间变化历程曲线；
图8为实施例一中最强穿透破片加速度-时间变化历程曲线；
图9为实施例一中最强穿透破片速度-时间变化历程曲线；
图10为实施例二中破片群布局尺寸侵彻防护结构示意图；
图11为实施例三中破片群布局尺寸侵彻防护结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤。
判断防护结构穿透状态步骤如图2所示；
确定穿透等效破片步骤如图3所示；
确定未穿透等效破片步骤如图4所示。
实施例一、钢制破片群侵彻单一高强聚乙烯纤维增强复合板
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，设定单个破片形状为长方体、单个破片几何尺寸为7.5mm×7.5mm7.5mm、破片材料为钢、采用Mat_Plastic_Kinematic本构模型、破片数量N0＝25枚、破片间布局为正交等间距Si＝1mm布局，如图5所示；单元类型为solid164实体单元、各破片撞击初始速度V0＝650m/s，着靶角ω＝0°；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式为单层面板、几何尺寸为0.3m×0.3m×0.01m、材料为高强聚乙烯纤维增强复合材料，正交异性本构模型采用Mat_Composite_Damage，边缘约束条件采用固支；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.001m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；
(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数1000步、CPU核数为4核、内存分配4×108字节；
(1.5)输出K文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序LS-DYNA进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件ANSYS进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：
(2.1)利用有限元后处理软件Ls-prepost，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线，如图6、7；
当Ai小于加速度阈值X时，各破片速度Vi均大于速度阈值Y，防护结构已穿透；
所述加速度阈值X＝0.5m/s2，所述速度阈值Y＝15m/s；
(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm＝433m/s，称为最强穿透破片；
(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；
(3.2)利用有限元后处理软件Ls-prepost，分别读取最强穿透破片加速度As-时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs-时间t历程曲线，如图8、9所示；最强穿透破片加速度As＝0.08m/s2时，其小于加速度阈值X，读取最强穿透破片速度Vs＝203m/s；
(3.3)Vs<Vm，重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.3.1)～(3.3.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.3.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；计算完毕，进行子步骤(3.2)，读取最强穿透破片速度Vs＝226m/s，Vs<Vm,继续将该最强穿透破片长度增大0.1倍后重复以上步骤计算；
(3.4)当最强穿透破片长度16.3mm时，Vs＝518m/s，Vs>Vm；重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中将该最强穿透破片长度减短0.1倍，得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；计算完毕，进行子步骤(3.2)；
(3.5)当弹丸长度为15mm时，Vs＝Vm，计算终止，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸(7.5mm×7.5mm×15.0mm)，从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与穿透等效破片侵彻能力等效相同；
实施例二、铅合金破片群侵彻单一芳纶纤维增强复合板；
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，设定单个破片形状为圆柱体、单个破片几何尺寸为直径d＝8mm，长度L＝13mm、破片材料为铅合金、采用Mat_Plastic_Kinematic本构模型，破片数量N0＝30枚、破片间布局为等间距S＝10mm布局，如图10；单元类型为solid164实体单元、各破片撞击初始速度V0＝450m/s，着靶角ω＝15°；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，其步骤与实施例一中子步骤(1.2)相同，区别仅在于设定防护结构材料为芳纶纤维增强复合材料，正交异性本构模型采用Mat_Enhanced_Composite_Damage，几何尺寸为0.3m×0.3m×0.012m；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.002m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；
(1.4)设定仿真配置信息，与实施例一中子步骤(1.4)所设定仿真配置信息相同；
(1.5)输出K文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序AUTODYN进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件HYPERMESH进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：
(2.1)利用有限元后处理软件Ls-prepost，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；
当Ai小于加速度阈值X时，各破片速度Vi均小于速度阈值Y，并且有破片超出了芳纶纤维增强复合板范围，破片群临界穿透芳纶纤维增强复合板。
所述加速度阈值X＝0.8m/s2，所述速度阈值Y＝10m/s；
(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm＝9m/s，称为最强穿透破片；
(3)确定穿透等效破片步骤，同实施例一中步骤(3)，计算得当弹丸长度为13.6mm时，Vs＝Vm，计算终止，进而得到穿透等效破片的几何尺寸(直径d＝8mm、长度L＝13.6mm)，从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与所得穿透等效破片侵彻能力等效相同；
实施例三、钨合金破片群侵彻单一高强玻璃纤维增强复合板。
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，设定单个破片形状为锥柱体、单个破片几何尺寸为直径d＝5mm、锥角θ＝60°、长度10mm，破片材料为钨合金、采用Mat_Plastic_Kinematic本构模型、破片数量N0＝37枚、破片间布局为不等间距布局，最小间距为0.8mm，最大间距为13mm，如图11；单元类型为solid186实体单元、各破片撞击初始速度V0＝450m/s，着靶角ω＝0°；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，其步骤与实施例一中子步骤(1.2)相同，区别仅在于设定防护结构材料为高强玻璃纤维增强复合材料，几何尺寸为0.3m×0.3m×0.03m；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.002m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；
(1.4)设定仿真配置信息，与实施例一中子步骤(1.4)所设定仿真配置信息相同；
(1.5)输出DAT文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序DYTRAN进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件PATRAN进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：
(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；
当各破片加速度Ai小于加速度阈值X时，由各破片速度均小于阈值Y，并且所有破片均未超出高强玻璃纤维增强复合板范围，则破片群未穿透高强玻璃纤维增强复合板。
所述加速度阈值X＝0.6m/s2，所述速度阈值Y＝15m/s；
(2.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm＝20mm的破片，称为最大侵深破片；
(3)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(3.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，其步骤与实施例一中子步骤(3.1)相同；
(3.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，当最大侵深破片加速度A＝0.3m/s2时，读取最大侵深破片侵彻深度Hs＝12mm；
(3.3)Hs<Hm，重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，其步骤与子步骤(3.1)相同，将该最大侵深破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(3.4)计算完毕后读取最大侵深破片侵彻深度Hs＝13.2mm，Hs<Hm，继续将该最大侵深破片长度增大0.1倍后重复以上步骤计算；
(3.5)当最大侵深破片长度为14mm时，Hs＝22.1mm，Hs>Hm，重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，其步骤与子步骤(3.1)相同，区别仅在于将该最大侵深破片长度减短0.1倍，得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(3.6)当最大侵深破片长度为12.8mm时，Hs＝Hm，计算终止，进而得到最大侵深破片几何尺寸(直径d＝5mm，锥角θ＝60°，长度L＝12.8mm)，从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与所得未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
实施例四、钛合金破片群侵彻三层高强聚乙烯纤维增强复合板夹芯防护结构；
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，其步骤与实施例一中子步骤(1.1)相同，区别仅在于破片材料为钛合金；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式为三层夹芯板，其中夹芯层为高强聚乙烯纤维增强复合材料，其材料模型及参数与实施例一中子步骤(1.1)所述相同，另外两层为钢板，其材料模型采用Mat_Johnson_Cook本构模型；前面板、芯层、后面板长×宽均为300mm×300mm，厚度分别为2mm、15mm、5mm；边缘约束条件采用固支；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.001m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；前、后面板与芯层采用自动面面接触；
(1.4)设定仿真配置信息，与实施例一中子步骤(1.4)所设定仿真配置信息相同；
(1.5)输出K文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序LS-DYNA进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件TRUEGRID进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，其步骤与实施例一中步骤(2)相同，得到破片群已穿透防护结构；
(3)确定穿透等效破片步骤，其步骤与实施例一中步骤(3)相同，求得穿透等效破片几何尺寸为(7.5mm×7.5mm×26.0mm)。从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与所得未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
实施例五、铅合金破片群侵彻三层芳纶纤维增强复合板夹芯防护结构；
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，其步骤与实施例一中子步骤(1.1)相同；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，其步骤与实施例四中子步骤(1.2)相同，区别仅在于夹芯层为芳纶纤维增强复合材料，前后面板为铝合金材料；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.001m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；前、后面板与芯层采用自动面面接触；
(1.4)设定仿真配置信息，与实施例一中子步骤(1.4)所设定仿真配置信息相同；
(1.5)输出K文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序LS-DYNA进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件ANSYS进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，其步骤与实施例二中步骤(2)相同，得到破片群临界穿透防护结构；
(3)确定穿透等效破片步骤，其步骤与实施例二中步骤(3)相同，求得穿透等效破片几何尺寸为(直径d＝8mm、长度L＝16.7mm)。从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与所得未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
实施例六、钨合金破片群侵彻三层高强玻璃纤维增强复合板夹芯防护结构；
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，其步骤与实施例一中子步骤(1.1)相同；
(1.2)采用有限元建模商业软件，建立防护结构有限元模型，其步骤与实施例四中子步骤(1.2)相同，区别仅在于夹芯层为高强玻璃纤维增强复合材料,前后面板材料为铜；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为0.001m，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触；前、后面板与芯层采用自动面面接触；
(1.4)设定仿真配置信息，与实施例一中子步骤(1.4)所设定仿真配置信息相同；
(1.5)输出K文件，将其提交给非线性动力学分析有限元程序LS-DYNA进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用有限元建模商业软件ANSYS进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，其步骤与实施例三中步骤(2)相同，得到破片群未穿透防护结构；
(3)确定未穿透等效破片步骤，其步骤与实施例三中步骤(3)相同，求得未穿透等效破片几何尺寸为(直径d＝5mm，锥角θ＝60°，长度L＝14.3mm)。从而该破片群对该防护结构的侵彻能力与所得未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
实施例七、钛合金破片群侵彻钢板和高强聚乙烯增强复合板组合两层防护结构，其计算步骤与实施例四相同。
Claims (4)
1.一种密集破片穿甲能力估计方法，包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤，其特征在于：
(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：
(1.1)建立破片群有限元模型，包括设定单个破片形状、单个破片几何尺寸、破片材料、力学参数及弹塑性本构模型、破片数量、破片间布局尺寸、单元类型、各破片撞击初始速度和各着靶角；
(1.2)建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式、几何尺寸、材料种类、力学参数及正交异性本构模型、边缘约束条件；
(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为芯层厚度的0.05～0.2倍，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触，防护结构为两层面板或三层夹芯板时各层间采用面面自动接触；
(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数，迭代时间步数1000步，CPU核数为4核、内存分配4×108字节；
(1.5)输出建模信息，将其提交给非线性动力学分析有限元程序进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；
所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用具有几何建模、网格划分、施加载荷功能的有限元建模商业软件进行；
(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：
(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；
当Ai小于加速度阈值X时，判断是否Vi均小于速度阈值Y，是则进行子步骤(2.2)；否则防护结构已穿透，进行子步骤(2.3)；
(2.2)判断是否所有破片均在防护结构网格范围内，是则防护结构未穿透，进行子步骤(2.4)；否则防护结构临界穿透，进行子步骤(2.3)；
所述加速度阈值X为0.05m/s2～1m/s2，所述速度阈值Y为撞击初始速度V0的0.02～0.05倍；
(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm，称为最强穿透破片；进行步骤(3)；
(2.4)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm的破片，称为最大侵深破片，进行步骤(4)；
(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；过程(3.1.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；
(3.2)利用有限元后处理软件，分别读取最强穿透破片加速度As-时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs-时间t历程曲线；当As<X时，读取最强穿透破片速度Vs；
(3.3)判断是否Vs<Vm，是则进行子步骤(3.4)，否则进行子步骤(3.5)；
(3.4)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；
(3.5)判断是否Vs＝Vm，是则进行子步骤(3.7)；否则进行子步骤(3.6)；
(3.6)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.6.1)～(3.6.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.6.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度减短0.1倍；过程(3.6.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(3.7)计算终止，读取最强穿透破片长度，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该穿透等效破片侵彻能力等效相同；
(4)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：
(4.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.1.1)～(4.1.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.1.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；
(4.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取该最大侵深破片侵彻深度Hs；
(4.3)判断是否Hs<Hm，是则进行子步骤(4.4)，否则进行子步骤(4.5)；
(4.4)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.4.1)～(4.4.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.4.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度增大0.1倍；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(4.5)判断是否Hs＝Hm，是则进行子步骤(4.7)；否则进行子步骤(4.6)；
(4.6)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.6.1)～(4.6.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.6.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度减短0.1倍；过程(4.6.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；
(4.7)计算终止，读取最大侵深破片长度，将该长度的最大侵深破片作为未穿透等效破片，进而得到未穿透等效破片几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该未穿透等效破片侵彻能力等效相同。
2.如权利要求1所述的密集破片穿甲能力估计方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述有限元建模商业软件，包括美国ANSYS公司的ANSYS、美国MSC公司的PATRAN、美国XYZ公司的TRUEGRID、美国Altair公司的HYPERMESH；
所述子步骤(1.1)中，所述单个破片形状为长方体、圆柱体、锥柱体中的一种，所述锥柱体为一端是圆锥的圆柱体；
所述单个破片几何尺寸，对于长方体、几何尺寸为长度L、宽度a、厚度b，a＝1mm～50mm、b＝1mm～50mm；对于圆柱体、几何尺寸为直径d和长度L，d＝1mm～50mm；对于锥柱体、几何尺寸为锥角θ、直径d、长度L，θ＝0°～180°；所述长度L是指其轴线撞击方向尺寸，L＝1mm～100mm；
所述破片材料为钢、铜、铅合金、钨合金、钛合金或铝合金；
所述弹塑性本构模型为塑性随动材料模型、约翰库克材料模型；
所述破片数量N0＝2～200枚；
所述破片间布局尺寸为破片等间距分布、不等间距分布，其中，任两破片间距Si＝0.01L～100L；
所述单元类型为三维实体单元，包括solid164、solid186、solid185；
所述各破片撞击初始速度均为V0，V0＝50m/s～3000m/s；
所述各破片着靶角均为ω，ω＝0～90°。
3.如权利要求1所述的密集破片穿甲能力估计方法，其特征在于：
所述子步骤(1.2)中，所述防护结构型式为单层面板、两层面板或三层夹芯板，形状均为矩形板；
所述几何尺寸为矩形板的长度La＝5(Si)max～50(Si)max，宽度Lb＝5(Si)max～50(Si)max，厚度hf＝0.01(Si)max～10(Si)max；
所述材料种类，单层面板为纤维增强复合材料；两层面板中，一层为纤维增强复合材料、另一层为金属材料；三层夹芯板中，夹芯层为纤维增强复合材料，另外两层为金属材料；所述金属材料为钢、铜、铝合金、钛合金；所述纤维增强复合材料为高强聚乙烯纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、高强玻璃纤维增强复合材料；
所述正交异性本构模型包括复合损伤材料模型、增强复合损伤材料模型、复合失效体材料模型、复合纤维层合材料模型；
所述防护结构的边缘约束条件为固支、剪支、自由；
所述子步骤(1.5)中，所述非线性动力学分析有限元程序为商业软件，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型类型非线性问题，包括美国LSTC公司的LS-DYNA、美国MSC公司的DYTRAN、美国CenturyDynamics公司的AUTODYN。
4.如权利要求1所述的密集破片穿甲能力估计方法，其特征在于：
所述步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)中，所述有限元后处理软件为商业软件，能够提取运动学和变形力学数据并可以对破片群侵彻防护结构过程进行图形显示，包括美国LSTC公司的Ls-prepost、美国ANSYS公司的ANSYS；
所述子步骤(2.2)中防护结构网格范围为通过单元空间坐标确定的防护结构所占空间范围。
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