CN107256304A - 一种枪弹弹头发射强度可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于枪弹领域，提供了一种基于lsight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，包括：确定影响枪弹弹头发射强度的随机因素；建立基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型；基于所述枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型，利用lsight软件定制枪弹弹头发射强度可靠性分析流程，得到多个有限元仿真结果；根据所述多个有限元仿真结果，得到枪弹弹头发射强度的可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估；本发明可以简化弹头发射强度可靠性分析流程，提高评估效率，降低分析成本。

Description

一种枪弹弹头发射强度可靠性评估方法

技术领域

本发明属于枪弹领域，涉及一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法。

背景技术

枪弹弹头发射过程中由于强度不可靠会导致外弹道飞行不稳定、金属脱落损坏枪管等问题，严重时会危及战士性命，因此，保证足够的弹头发射强度对于枪弹设计至关重要。

发射时弹头在各种载荷作用下，材料内部产生应力和变形。根据载荷变化特点，对于一般线膛枪、炮而言，弹丸受力与变形有三个危险的临界状态，即弹丸挤进坡膛的第一临界状态、膛压达到最大的第二临界状态和弹丸出枪(炮)口的第三临界状态。理论与试验研究表明弹头最大应力通常出现在最大膛压时刻，故主要需要考核最大膛压状态弹头的结构强度。传统弹头发射强度分析与设计通常采用理论分析法或有限元仿真法，针对确定的载荷条件、弹头结构与材料特性完成强度分析与校核，在此基础上再应用安全系数法考虑强度贮备和环境适应能力。然而由于枪械、弹丸制造中存在的结构不一致，以及装药量误差等引起的内弹道不一致问题，使得即使是同一批次产品，仍然存在结构、材料及载荷条件的随机散布问题，导致在满足强度贮备条件下仍有发生强度失效的概率问题。

近年来，考虑枪弹弹头结构、材料、载荷等参数的概率分布，用可靠性设计方法代替安全系数设计方法的想法得到重视。现阶段，弹头发射强度可靠性分析主要是应用经典可靠性理论并依据大量实验数据完成，其设计成本大，设计周期长，且对设计人员有较高的理论要求，难以在枪弹企业实施应用。

基于此，现有技术确实有待于改进。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于评估枪弹的方法，以简化弹头发射强度可靠性分析流程，提高评估效率，降低分析成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其采用的技术方案如下：

S1、确定影响枪弹弹头发射强度的随机因素；

S2、建立基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型；

S3、基于所述枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型，利用Isight软件定制枪弹弹头发射强度可靠性分析流程，得到多个有限元仿真结果；

S4、根据所述多个有限元仿真结果，得到枪弹弹头发射强度的可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。

优选的，所述步骤S1中：

所述影响枪弹弹头发射强度的随机因素包括弹头圆柱部直径参数、圆柱部长度参数、弹头壳厚度参数、弹头壳材料屈服强度以及最大膛压；

其中，所述随机因素均服从正态分布。

优选的，所述步骤S2具体包括：

S21、基于ABAQUS软件建立弹头和枪膛部分线膛的装配模型；包括对所述弹头模型中相关结构的尺寸进行几何约束，使得其结构拓扑关系一致；

S22、对弹头各部件模型和线膛模型添加材料属性；

S23、对弹头各部件模型和线膛模型进行网格划分；

S24、定义所述弹头和枪膛部分线膛的装配模型中所有的接触类型；

S25、设置时间步；

S26、在弹头底部和尾部侧表面施加最大膛压载荷；

S27、在ABAQUS软件中设置边界条件，使得线膛模型固定，弹头可以沿轴线方向自由移动，完成枪弹弹头发射强度有限元仿真模型的建立，运行得到弹头最大应力点位置及最大应力值；

S28、将所述枪弹弹头发射强度有限元仿真模型参数化。

优选的，所述步骤S28具体包括：

在ABAQUS软件工作目录“temp”下，生成命令流“abaqus.rpy”文件；

为枪弹弹头发射强度的随机因素定义变量名；

打开“abaqus.rpy”文件，用Python语言将枪弹弹头发射强度随机因素的具体数值改为相应的变量名。

优选的，所述步骤S3具体包括：

S31、产生满足随机因素概率分布的随机数，并将所述随机数读入ABAQUS命令流文件“abaqus.py”中；

S32、调用abaqus软件完成弹头发射强度有限元仿真，提取仿真结果；

S33、重复步骤S31和S32，得到多个最大应力值，应用相关概率理论统计分析得出弹头发射强度可靠度；

S34、基于Isight软件产生各随机因素满足其概率分布的随机变量，并应用简单随机抽样法生成多个随机工况；

S35、Isight软件集成abaqus软件实现随机有限元仿真；

S36、重复执行步骤S31至S33，完成多个随机工况下的有限元仿真，得到多个有限元仿真结果，所述有限元仿真结果为弹头发射强度的可靠度。

优选的，所述步骤S4具体包括：

根据所述多个有限元仿真结果，利用应力-强度干涉模型并利用MonteCarlo组件统计得到最终的枪弹弹头发射强度可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于ISIGHT软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，利用有限元软件ABAQUS的Python语言实现最大膛压状态弹头发射强度参数化有限元仿真；利用ISIGHT软件的Monte Carlo模块产生各影响因素满足其概率分布的随机数，并循环调用基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度有限元分析，得出各随机工况下的弹头最大应力值，再利用ISIGHT软件的Monte Carlo模块并基于应力-强度干涉模型统计得出弹头发射强度的可靠度；本发明全面简化了弹头发射强度可靠性分析流程，能定量预测弹丸发射强度的可靠度，其效率高、精度好，可对传统基于试验方法考核弹头强度可靠性提供有益补充手段；本发明可方便推广应用到线膛炮弹的发射强度可靠性分析与设计中，也可推广应用于其他结构的强度可靠性分析与设计中，为结构设计提供支撑手段。

附图说明

图1是本发明一实施例中枪弹弹头发射强度可靠性评估的流程图；

图2是本发明一实施例中7.62mm枪弹弹头参数化几何模型；

图3是本发明一实施例中7.62mm枪弹弹头和含膛线的部分线膛的装配模型；

图4是本发明一实施例中7.62mm枪弹弹头在最大膛压时的发射强度有限元仿真应力云图；

图5是本发明一实施例中基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性分析流程；

图6是本发明一实施例中Isight软件集成ABAQUS仿真流程图；

图7是本发明一实施例中应力强度干涉模型示意图；

图8是本发明一实施例中本发明实施例得出的7.62mm枪弹弹头最大应力概率分布示意图；

图9是本发明一实施例中本发明实施例得出的7.62mm枪弹弹头发射强度可靠度结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1、确定影响枪弹弹头发射强度的随机因素；

影响弹头发射强度的因素很多，如膛压、弹头材料应力、弹头结构尺寸等，由于制造工艺误差，弹头结构尺寸及材料参数为服从一定分布规律的随机变量，由于发射装填误差、发射温度等随机因素影响，最大膛压也会不一致。

在本发明中，通过基于Isight软件的影响因素灵敏度分析，得出所述影响枪弹弹头发射强度的随机因素主要包括弹头圆柱部直径参数、圆柱部长度参数、弹头壳厚度参数、弹头壳材料屈服强度以及最大膛压；相关研究得出，上述参数均服从正态分布。

S2、建立基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型；具体包括：

S21、基于ABAQUS软件建立弹头和枪膛部分线膛的装配模型；包括对所述弹头模型中相关结构的尺寸进行几何约束，使得其结构拓扑关系一致；

最大膛压状态弹头发射强度有限元仿真的几何模型包括弹头和枪膛部分线膛的装配模型。

在进行装配模型的建立时，先在ABAQUS的“PART”模块中分别建立弹头和枪膛部分线膛的三维几何模型，其中，为了实现所述S1步骤中结构参数的随机，需要对弹头模型中弹头圆柱部直径、圆柱部长度、弹头壳厚度进行几何约束，以保证其结构拓扑关系在参数化建模过程中不变；再在ABAQUS的“ASSEMBLY”模块中，完成弹头和含膛线的部分线膛的装配模型。

以56式7.62mm普通钢芯弹为例，如图2所示，其结构为弹头壳/铅套/钢心三层结构；根据上述步骤，建立的弹头和含膛线的部分线膛的装配模型如图3所示；

S22、对弹头各部件模型和线膛模型添加材料属性；7.62mm普通钢心弹的弹头壳选用15#钢材料，铅套选用铅材料，钢芯和枪膛选用45#钢，其中将枪膛三维模型设置成刚性体；

S23、对弹头各部件模型和线膛模型进行网格划分；其中弹头壳模型选择较小四面体单元，单元大小为0.5，线膛模型选用壳单元，单元大小为2，钢芯和嵌套采用扫掠六面体网格，单元大小分别为1.2和0.8；

S24、定义所述弹头和枪膛部分线膛的装配模型中所有的接触类型；

在ABAQUS软件中进行弹头发射强度有限元仿真，由于接触复杂，很难定义具体接触面，所以接触类型选择通用自接触，根据剪切摩擦准则确定摩擦因子m，材料的流动应力Y和对应切应力是根据相关弹头壳材料的确定的参数。

在ABAQUS软件中进行7.62mm普通枪弹弹头发射强度有限元仿真，接触类型选择通用自接触，其中，根据剪切摩擦准则确定摩擦因子m＝0.1。

S25、设置时间步；

弹头发射强度仿真属于装配体仿真，往往不容易收敛，故仿真中选择ABAQUS显示动力分析步；

选择ABAQUS软件中显式动力分析步对7.62mm普通枪弹弹头进行发射强度有限元仿真，其中时间步长为0.0001s。

S26、在弹头底部和尾部侧表面施加最大膛压载荷；根据7.62mm普通枪弹发射的膛压曲线，确定最大膛压为280MPa，在弹头底部和尾部侧表面添加该最大膛压载荷。

S27、在ABAQUS软件中设置边界条件，使得线膛模型固定，弹头可以沿轴线方向自由移动，完成枪弹弹头发射强度有限元仿真模型的建立，运行得到弹头最大应力点位置及最大应力值；

在ABAQUS软件仿真中，边界条件施加在模型中已知位移/转动的区域，从而约束模型保持固定或者指定非零位移/转动。仿真中对线膛模型施加固定约束，约束其6个自由度，约束弹头除轴线方向的的所有自由度，这样，弹头可以沿轴线方向自由移动；

建立上述有限元仿真模型后，运行ABAQUS求解器，完成7.62mm枪弹弹头发射强度有限元仿真，求解后得到弹丸在膛内最大膛压处应力分布，最大应力主要集中弹头壳尾锥部，大小为288.3MPa，见图4。

S28、将所述枪弹弹头发射强度有限元仿真模型参数化。

在ABAQUS软件工作目录“temp”下，生成命令流“abaqus.rpy”文件，通过Python语言记录了用户在ABAQUS界面中的每一步操作；

为了实现所述步骤S1中结构参数、材料参数及载荷参数的随机，为枪弹弹头发射强度的随机因素定义变量名；

打开“abaqus.rpy”文件，用Python语言将枪弹弹头发射强度随机因素的具体数值改为相应的变量名。

在本发明的一个实施例中，将15#钢屈服强度定义为S₁₅、弹头圆柱部直径、圆柱部长度和弹头壳厚度分别定义为dz、lz和t₀，将载荷数值定义为P；

具体操作时，在文件中找到弹头壳材料15#钢屈服强度，用S₁₅变量替代；将弹头圆柱部直径、圆柱部长度和弹头壳厚度分别用dz、lz和t₀三个变量替换；找到仿真中载荷数值，用变量P替换，在文件开始位置添加变量初值，其中，lz＝7.12、dz＝7.92、t₀＝0.56、S₁₅＝286和P＝280，完成参数化有限元仿真模型建立。

S3、基于所述枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型，利用Isight软件定制枪弹弹头发射强度可靠性分析流程，得到多个有限元仿真结果；具体包括：

S31、产生满足随机因素概率分布的随机数，并将所述随机数读入ABAQUS命令流文件“abaqus.py”中；具体包括：

S32、调用abaqus软件完成弹头发射强度有限元仿真，提取仿真结果；

S33、重复步骤S31和S32，得到多个最大应力值，应用相关概率理论统计分析得出弹头发射强度可靠度；

若重复以上过程1000次，即可得出1000次仿真产生的最大应力值结果，应用相关概率理论统计分析得出7.62mm弹头发射强度可靠度。

所述步骤S31-S33为弹头发射强度可靠性分析流程，针对上述分析流程，基于Isight软件定制实现产生随机变量、设置仿真循环次数，集成ABAQUS软件循环仿真，仿真结果统计分析等主要功能；主要通过在Isight软件集成界面中添加Monte Carlo组件和Simcode组件来实现，如图5所示；具体操作如下：

S34、基于Isight软件产生各随机因素满足其概率分布的随机变量，并应用简单随机抽样法生成多个随机工况；

所述步骤S1中的结构参数、材料参数及载荷参数均服从正态分布规律，根据3σ准则、弹丸加工工艺公差、材料机械性能统计等要求，确定所述步骤S1中的结构参数、材料参数及载荷参数的概率分布模型即均值μ和标准差S。7.62mm枪弹弹头圆柱部直径dz的公差范围为0～-0.05、圆柱部长度lz公差按机械制造二级精度公差选取为l_z×2％、弹头壳厚度t₀的公差范围为0.15～-0.05三个变量，弹头壳材料服强度的标准差取最大膛压P的标准差选取35，根据3σ准则，有效取值全部位于标准正太分布3σ之内，得其圆柱部直径标准差为σ_dz＝0.05/3≈0.02，同理圆柱部长度lz的标准差为σ_lz＝0.02×7.12÷3≈0.05，弹头壳厚度t0的均值为μ_t0＝0.61，标准差为σ_t0＝0.1/3≈0.04，得到各参数概率分布，弹头圆柱部dz服从N_dz(7.92，0.02)，圆柱部长度lz服从N_lz(7.12，0.05)，弹头壳厚度t₀服从N_t0(0.61，0.04)，弹头壳材料15#钢屈服强度S₁₅服从(286，20.8)，最大膛压P服从N_P(280，35)。在Isight集成平台中添加Monte Carlo组件，应用Monte Carlo组件，针对7.62mm枪弹弹头发射强度的随机因素dz、lz和t₀等，选择简单随机抽样，定义样本容量为1000，定义概率分布模型及参数，应用简单随机抽样产生各影响因素满足概率分布的1000个随机变量组合即随机工况。

具体组件设置步骤为：打开Monte Carlo组件，选择抽样方式为简单随机抽样，在Monte Carlo组件中的Random Variable属性页，勾选随机参数，参数分布类型为正态分布，根据以上求得的随机参数概率分布模型输入相应的均值μ和标准差S进行模型定义，点击确定完成组件设置。

S35、Isight软件集成abaqus软件实现随机有限元仿真；

包括定义abaqus软件输入文件“abaqus.py”，运行“abaqus.bat批处理文件”，完成仿真后读取abaqus软件输出文件“output.txt”等步骤。

定义abaqus软件输入文件“abaqus.py”。将所述步骤S28中修改后的abaqus.rpy文件另存为abaqus.py文件，以文本方式打开并进行修改：

包括删除创建视口命令，添加创建模型语句与创建部件语句，添加在仿真结果中查找最大应力值以及将最大应力mises_Max输出到output.txt文本文件的语句。

新建txt文本文档，内容包括″D：\SIMULIA\Abaqus\Commands\abaqus.bat″caenogui＝abaqus.py，将文档保存，将后缀名修改为“abaqus.bat”，完成批处理文件的建立。

在Isight集成平台中添加Simcode组件，Simcode组件提供一套完整的基于文件封装的仿真模型集成方法，基本原理如图6所示。Simcode组件通过将ABAQUS结构强度仿真模型输入输出文件封装为ASCII文件，首先解析abaqus.py中随机参数，然后执行批处理文件abaqus.bat，调用ABAQUS内嵌程序，进行结构强度分析计算，最后将分析结果存入输出文件output.txt。完成一次7.62mm枪弹弹头发射强度随机有限元仿真。

具体组件设置步骤为：将abaqus.py、output.txt和批处理文件abaqus.bat放到ABAQUS默认工作目录“temp”文件下；双击Isight中Simcode组件进入默认对话框，点击FindProgram并找到前面得到的批处理文件，选择Input选项卡并双击中间的“Click here toopen a new Data Source”，选择Browse，指向以上生成的脚本文件abaqus.py，寻找S1中定义的参数进行解析；选择Output选项卡，以同样的方式加载结果文件output.txt，解析最大应力，点击OK完成集成设置。

S36、重复执行步骤S31至S33，完成多个随机工况下的有限元仿真，得到多个有限元仿真结果，所述有限元仿真结果为弹头发射强度的可靠度。

应用简单随机抽样法产生由所述步骤S34中产生的各影响因素随机分布产生的1000组随机变量，重复利用Simcode组件循环调用ABAQUS软件完成1000次随机工况下的有限元仿真，得到1000个弹丸最大应力值。

S4、根据所述多个有限元仿真结果，得到枪弹弹头发射强度的可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。

根据所述多个有限元仿真结果，利用应力-强度干涉模型并利用Monte Carlo组件统计得到最终的枪弹弹头发射强度可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。

采用应力强度干涉模型对7.62mm枪弹弹头发射强度有限元仿真中最大应力值进行统计分析，确定具体可靠度。应力强度干涉模型具体流程如图7所示：通过弹头壳三个结构参数随机分布获取随机变量，采用ABAQUS数值模拟得到最大应力的概率密度函数，通过材料机械性能统计得到弹头壳材料强度的概率密度函数，将两个分布函数做差得到干涉模型的概率密度函数；

本发明中应力与强度都服从正态分布，应力的分布函数f(σ)和材料强度的概率密度函数g(δ)如下

取强度与应力的差值y＝δ-σ，y的概率密度函数为

上式中μ_y＝μ_δ-μ_σ、根据可靠度定义，强度δ大于应力σ的概率P(y＞0)就是对应的可靠度：

打开Monte Carlo组件中的Response属性页，勾选最大应力，根据以上应力强度干涉模型，定义最大应力值上限为材料屈服强度，运行过程中，Isight软件通过解析abaqus软件每次仿真的输出文件“output.txt”获得1000个随机工况下的最大应力值，点击Isight中图表显示得到输出结果的正态分布曲线，确定输出最大应力的分布规律，图8为得到了弹丸在最大膛压处，最大应力的分布图。

根据Monte Carlo组件中最大应力边界条件，Isight自动筛选应力值，统计得到7.62mm枪弹弹头发射强度可靠度，点击Isight界面中Graph Templates界面可以得到可靠度分析结果，图9为分析1000组数据后的7.62mm枪弹弹头发射强度可靠性分析结果，即弹头发射强度可靠度为99％。

本发明提供了一种基于ISIGHT软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，利用有限元软件ABAQUS的Python语言实现最大膛压状态弹头发射强度参数化有限元仿真；利用ISIGHT软件的Monte Carlo模块产生各影响因素满足其概率分布的随机数，并循环调用基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度有限元分析，得出各随机工况下的弹头最大应力值，再利用ISIGHT软件的Monte Carlo模块并基于应力-强度干涉模型统计得出弹头发射强度的可靠度；本发明全面简化了弹头发射强度可靠性分析流程，能定量预测弹丸发射强度的可靠度，其效率高、精度好，可对传统基于试验方法考核弹头强度可靠性提供有益补充手段；本发明可方便推广应用到线膛炮弹的发射强度可靠性分析与设计中，也可推广应用于其他结构的强度可靠性分析与设计中，为结构设计提供支撑手段。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、确定影响枪弹弹头发射强度的随机因素；

S2、建立基于ABAQUS软件的枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型；

S3、基于所述枪弹弹头发射强度参数化有限元仿真模型，利用Isight软件定制枪弹弹头发射强度可靠性分析流程，得到多个有限元仿真结果；

S4、根据所述多个有限元仿真结果，得到枪弹弹头发射强度的可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。

2.如权利要求1所述的一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中：

所述影响枪弹弹头发射强度的随机因素包括弹头圆柱部直径参数、圆柱部长度参数、弹头壳厚度参数、弹头壳材料屈服强度以及最大膛压；

其中，所述随机因素均服从正态分布。

3.如权利要求1所述的一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、基于ABAQUS软件建立弹头和枪膛部分线膛的装配模型；包括对所述弹头模型中相关结构的尺寸进行几何约束，使得其结构拓扑关系一致；

S22、对弹头各部件模型和线膛模型添加材料属性；

S23、对弹头各部件模型和线膛模型进行网格划分；

S24、定义所述弹头和枪膛部分线膛的装配模型中所有的接触类型；

S25、设置时间步；

S26、在弹头底部和尾部侧表面施加最大膛压载荷；

S27、在ABAQUS软件中设置边界条件，使得线膛模型固定，弹头可以沿轴线方向自由移动，完成枪弹弹头发射强度有限元仿真模型的建立，运行得到弹头最大应力点位置及最大应力值；

S28、将所述枪弹弹头发射强度有限元仿真模型参数化。

4.如权利要求3所述的一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S28具体包括：

在ABAQUS软件工作目录“temp”下，生成命令流“abaqus.rpy”文件；

为枪弹弹头发射强度的随机因素定义变量名；

打开“abaqus.rpy”文件，用Python语言将枪弹弹头发射强度随机因素的具体数值改为相应的变量名。

5.如权利要求4所述的一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、产生满足随机因素概率分布的随机数，并将所述随机数读入ABAQUS命令流文件“abaqus.py”中；

S32、调用abaqus软件完成弹头发射强度有限元仿真，提取仿真结果；

S33、重复步骤S31和S32，得到多个最大应力值，应用相关概率理论统计分析得出弹头发射强度可靠度；

S34、基于Isight软件产生各随机因素满足其概率分布的随机变量，并应用简单随机抽样法生成多个随机工况；

S35、Isight软件集成abaqus软件实现随机有限元仿真；

S36、重复执行步骤S31至S33，完成多个随机工况下的有限元仿真，得到多个有限元仿真结果，所述有限元仿真结果为弹头发射强度的可靠度。

6.如权利要求5所述的一种基于Isight软件的枪弹弹头发射强度可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

根据所述多个有限元仿真结果，利用应力-强度干涉模型并利用Monte Carlo组件统计得到最终的枪弹弹头发射强度可靠度，完成枪弹弹头发射强度可靠度的评估。