CN107563052B - 一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法，针对炸药装药组合结构在深侵彻硬目标时进行仿真设计，通过对炸药装药组合结构外层及内层炸药装药材料模型参数及计算规模进行优化稳定设计分析，加深了对炸药装药组合结构侵彻过程特性规律的认识和理解。该方法具有效率高、可靠性好、指导性强等优点，提高了炸药装药组合结构的研发水平。
Description
技术领域
本发明属于炸药装药仿真设计方法，涉及一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法。
背景技术
科学技术的持续发展促进了军事目标防护能力的逐步提高。为了能够对这类目标造成有效打击及毁伤，在一定程度上也使得侵彻型动能武器的研发成为目前武器弹药领域方面的一个研究热点。在这类攻坚武器中装填组合结构炸药装药能够有效提高弹药对既定目标的打击能力。炸药装药组合结构将在越来越多的深侵彻武器中发挥重要作用。
而目前对于炸药装药组合结构的研究较多的采用传统制造与试验评价相结合方法进行研究。这种方法的优点在于工作任务量明显，实践操作丰富。但带来的缺点是核心技术实力薄弱，研制周期长、耗费大、开销高。传统的试验评价方法越来越难以满足炸药装药组合结构技术研究的要求，需要提高炸药装药组合结构研发设计水平。为此，可以将仿真设计方法应用到炸药装药组合结构研发领域，对炸药装药组合结构深侵彻过程进行动态模拟优化计算，进一步加深对科学本质和影响规律的认识理解。
中国专利CN 201310376202.1公开了一种基于LS-DYNA计算结果的破片定量信息自动统计方法，可以得到计算结果中各个破片的数量、质量和速度，还可以直接输出为文本文件，为战斗部效能评估和防护结构设计提供借鉴。但是该方法仅仅通过对LS-DYNA计算结果文件进行材料编号分析来统计破片信息，容易由于计算结果振荡和材料侵蚀失效而导致统计结果偏低于实际试验结果。
因此，需要发明一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法，能够充分预估材料性质及计算规模对侵彻过程计算结果的影响，加深对炸药装药组合结构侵彻过程规律本质的认识理解，减轻传统试验技术的负担，提高炸药装药研发水平。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法，用来预估材料性质及计算网格对炸药装药组合结构侵彻特性的影响。
为了实现上述目标，本发明采取如下的技术方案：
本发明涉及一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法，针对炸药装药组合结构在深侵彻硬目标时进行仿真设计，其特征在于，所述炸药装药组合结构由外层炸药装药和内层炸药装药组合构成，包括以下步骤，如图1概括所示：
步骤S1，启动LS-DYNA有限元分析软件，选择结构分析，勾选Structural类型，选择显式求解方法，勾选Explicit类型；
步骤S2，选定三维实体单元，从创建关键点开始逐层逐级创建线、面、体结构，构建炸药装药组合结构模型，构建装药壳体模型，构建深侵彻硬目标模型，形成如图2所示的炸药装药组合结构图；
步骤S3，选择材料模型并新建修改材料参数；
步骤S4，采用映射方法划分六面体计算网格；
步骤S5，添加接触作用，添加初始侵彻速度，设置求解时间；
步骤S6，输出并修正K文件，计算求解；
步骤S7，分析计算结果，检查计算结果是否稳定，如果计算结果不稳定，则返回至步骤S3，重复继续进行步骤S3至步骤S7，直至计算结果稳定准确，继续执行步骤S8；
步骤S8，选取计算结果稳定的典型单元网格节点进行后处理分析，完成侵彻型炸药装药组合结构仿真设计。在进行典型单元网格节点分析时，选择外层炸药装药头部、中部及尾部进行等效应力受力分析，如图3所示；继续选择内层炸药炸药装药头部、中部及尾部进行等效应力受力分析，如图4所示。
进一步的，所述外层炸药装药采用粘弹性材料模型描述。炸药装药组合结构中所使用的外层炸药装药的材料性质突出的体现为粘性，能够对侵彻硬目标时造成应力过载起到良好的缓冲变形作用，采用粘弹性材料模型能够切实的反映出外层炸药装药的材料本质性质。
进一步的，所述内层炸药装药采用塑性随动材料模型描述。内层炸药装药的爆炸能量输出特性高，设计目标在于侵彻硬目标后对目标内部结构造成有效打击。炸药装药组合结构中所用的内层炸药装药的材料性质主要表现为弹塑性，采用塑性随动材料模型能够切实反映出内层炸药装药塑性硬化强化的力学特性。
进一步的，所述深侵彻硬目标或者为混凝土结构，采用混凝土土壤材料模型、连续盖帽材料模型、混凝土损伤材料模型、脆性损伤材料模型、HJC材料模型其中任意之一的材料模型描述；或者为不锈钢结构，采用塑性随动材料模型、Johnson-Cook材料模型其中任意之一的材料模型描述。
进一步的，所述材料参数具体为：外层炸药装药的质量密度为为1.80g/cm3～1.88g/cm3，体积模量为1.5GPa～4.5GPa，瞬时剪切模量为5.0MPa～30.0MPa，长时剪切模量为2.0MPa～12.0MPa，衰减常量为1.2～2.5；内层炸药装药的质量密度为1.82g/cm3～1.90g/cm3，杨氏模量为0.80GPa～2.5GPa，泊松比为0.29～0.33，屈服应力为15.0MPa～70.0MPa，切线模量为0.05GPa～0.30GPa。
进一步的，所述六面体计算网格的网格质量指数为0.4～1.0。
采用高质量六面体计算网格以及适合的材料模型参数能够充分确保仿真设计方法结果稳定性和准确性，反映出炸药装药组合结构侵彻规律变化特性。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用仿真方法对炸药装药组合结构侵彻特性进行设计研究，具有研究成本低、效率高的优点，可以将抽象归纳总结的技术理论应用于指导炸药装药设计的具体实践中；
2.本发明采用的仿真设计方法能够进行多次重复循环计算，计算结果稳定可靠误差小，数据重现性高利用性好；
3.本发明形成的仿真设计方法能够提高炸药装药的研发水平，降低对试验技术的依赖和要求。
附图说明
图1为一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法的计算流程图。
图2为炸药装药组合结构图，由1-装药壳体、2-外层炸药装药、3-内层炸药装药和4-深侵彻硬目标组成。
图3为炸药装药组合结构外层炸药装药von-Mises等效应力计算结果时间曲线图。
图4为炸药装药组合结构内层炸药装药von-Mises等效应力计算结果时间曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受下列实施例的限制。
实施例1
步骤S1，启动LS-DYNA有限元分析软件，运行Mechanical力学分析模块，启动LS-DYNA有限元分析软件，选择结构分析，勾选Structural类型，确定问题为碰撞分析类型，选择显式求解方法，勾选Explicit类型；
步骤S2，选定三维实体Solid164单元，构建模型时采用四分之一对称结构，从创建关键点开始逐层逐级创建线、面、体结构，采用自底向上的方式建模，构建炸药装药组合结构模型，模型的外观尺寸为(直径Ф90mm)×(长度850mm)，构建装药壳体结构，外观尺寸(厚度20mm)，构建深侵彻硬目标模型，模型的外观尺寸为(直径Ф1500mm)×(长度1500mm)；
步骤S3，选择材料模型并新建修改材料参数；其中，外层炸药装药选用粘弹性材料模型，参数为：质量密度为1.80g/cm3，体积模量为1.50GPa，瞬时剪切模量为5.0MPa，长时剪切模量为2.0MPa，衰减常量为1.2；内层炸药装药选用塑性随动材料模型，参数为：质量密度为1.82g/cm3，杨氏模量为0.80GPa，泊松比为0.29，屈服应力为15.0MPa，切线模量为0.05GPa；深侵彻硬目标为混凝土，采用连续盖帽材料模型描述；
步骤S4，采用映射方法划分六面体计算网格；其中炸药装药组合结构划分大约8000个计算网格，深侵彻硬目标混凝土划分大约50000个计算网格，网格质量指标最小值为0.40；
步骤S5，添加接触作用，包含Lagrange型侵彻作用和面面自动接触作用两类，添加初始侵彻速度为420m/s，设置求解时间2500μs；
步骤S6，输出K文件，对K文件中边界条件模式及结果输出频率进行修正，计算求解；
步骤S7，计算结果分析表明计算结果稳定；
步骤S8，选取炸药装药组合结构的头部、中部和尾部典型单元网格节点进行后处理分析，完成侵彻型炸药装药组合结构仿真设计。
通过以上步骤对炸药装药组合结构深侵彻混凝土过程进行计算，输出的计算结果稳定可靠执行效率高，能够抽象总结出炸药装药组合结构侵彻时力学特性的变化规律，提高了炸药装药的研发水平，可应用于具体实践过程中。
实施例2
步骤S1，启动LS-DYNA有限元分析软件，运行Mechanical力学分析模块，启动LS-DYNA有限元分析软件，选择结构分析，勾选Structural类型，确定问题为碰撞分析类型，选择显式求解方法，勾选Explicit类型；
步骤S2，选定三维实体Solid164单元，构建模型时采用四分之一对称结构，从创建关键点开始逐层逐级创建线、面、体结构，采用自底向上的方式建模，构建炸药装药组合结构模型，模型的外观尺寸为(直径Ф100mm)×(长度950mm)，构建装药壳体结构，外观尺寸(厚度25mm)，构建深侵彻硬目标模型，模型的外观尺寸为(直径Ф2000mm)×(长度2000mm)；
步骤S3，选择材料模型并新建修改材料参数；其中，外层炸药装药选用粘弹性材料模型，参数为：质量密度为1.88g/cm3，体积模量为4.50GPa，瞬时剪切模量为30.0MPa，长时剪切模量为12.0MPa，衰减常量为2.5；内层炸药装药选用塑性随动材料模型，参数为：质量密度为1.90g/cm3，杨氏模量为2.50GPa，泊松比为0.29，屈服应力为70.0MPa，切线模量为0.30GPa；深侵彻硬目标为混凝土，采用混凝土损伤材料模型描述；
步骤S4，采用映射方法划分六面体计算网格；其中炸药装药组合结构划分大约20000个计算网格，深侵彻硬目标混凝土划分大约110000个计算网格，网格质量指标最小值为0.45；
步骤S5，添加接触作用，包含Lagrange型侵彻作用和面面自动接触作用两类，添加初始侵彻速度为700m/s，设置求解时间2500μs；
步骤S6，输出K文件，对K文件中边界条件模式及结果输出频率进行修正，计算求解；
步骤S7，重复进行三次计算，结果分析表明计算结果稳定；
步骤S8，选取炸药装药组合结构的头部、中部和尾部典型单元网格节点进行后处理分析，完成侵彻型炸药装药组合结构仿真设计。
通过以上步骤对炸药装药组合结构深侵彻混凝土过程进行计算，输出的计算结果稳定误差小，从中总结出炸药装药组合结构侵彻时力学特性的变化规律，提高了炸药装药的研发水平，可应用于具体实践过程中。
实施例3
步骤S1，启动LS-DYNA有限元分析软件，运行Mechanical力学分析模块，启动LS-DYNA有限元分析软件，选择结构分析，勾选Structural类型，确定问题为碰撞分析类型，选择显式求解方法，勾选Explicit类型；
步骤S2，选定三维实体Solid164单元，构建模型时采用四分之一对称结构，从创建关键点开始逐层逐级创建线、面、体结构，采用自底向上的方式建模，构建炸药装药组合结构模型，模型的外观尺寸为(直径Ф95mm)×(长度700mm)，构建装药壳体结构，外观尺寸(厚度30mm)，构建深侵彻硬目标模型，模型的外观尺寸为(直径Ф1000mm)×(长度1000mm)；
步骤S3，选择材料模型并新建修改材料参数；其中，外层炸药装药选用粘弹性材料模型，参数为：质量密度为1.84g/cm3，体积模量为2.90GPa，瞬时剪切模量为7.0MPa，长时剪切模量为4.0MPa，衰减常量为2.0；内层炸药装药选用塑性随动材料模型，参数为：质量密度为1.85g/cm3，杨氏模量为1.50GPa，泊松比为0.30，屈服应力为40.0MPa，切线模量为0.20GPa，深侵彻硬目标为不锈钢，采用塑性随动材料模型描述；
步骤S4，采用映射方法划分六面体计算网格；其中炸药装药组合结构划分大约10000个计算网格，深侵彻硬目标不锈钢划分大约40000个计算网格，网格质量指标最小值为0.40；
步骤S5，添加接触作用，包含Lagrange型侵彻作用和面面自动接触作用两类，添加初始侵彻速度为1020m/s，设置求解时间2500μs；
步骤S6，输出K文件，对K文件中边界条件模式及结果输出频率进行修正，计算求解；
步骤S7，重复进行三次计算，结果分析表明计算结果稳定；
步骤S8，选取炸药装药组合结构的头部、中部和尾部典型单元网格节点进行后处理分析，完成侵彻型炸药装药组合结构仿真设计。
通过以上步骤对炸药装药组合结构深侵彻不锈钢过程进行计算，输出的计算结果误差小准确度好，从中能够总结出炸药装药组合结构侵彻硬目标时的力学变化规律，提高了炸药装药的研究深度，对具体过程的实践具有支撑作用。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (2)
1.一种侵彻型炸药装药组合结构仿真设计方法，针对炸药装药组合结构在深侵彻硬目标时进行仿真设计，其特征在于，所述炸药装药组合结构由外层炸药装药和内层炸药装药组合构成，包括以下步骤：
步骤S1，启动LS-DYNA有限元分析软件，选择结构分析，勾选Structural类型，选择显式求解方法，勾选Explicit类型；
步骤S2，选定三维实体单元，从创建关键点开始逐层逐级创建线、面、体结构，构建炸药装药组合结构模型，构建装药壳体模型，构建深侵彻硬目标模型；
步骤S3，选择材料模型并新建修改材料参数，外层炸药装药采用粘弹性材料模型描述，外层炸药装药的质量密度为为1.80g/cm3～1.88g/cm3，体积模量为1.5GPa～4.5GPa，瞬时剪切模量为5.0MPa～30.0MPa，长时剪切模量为2.0MPa～12.0MPa，衰减常量为1.2～2.5，内层炸药装药采用塑性随动材料模型描述，内层炸药装药的质量密度为1.82g/cm3～1.90g/cm3，杨氏模量为0.80GPa～2.5GPa，泊松比为0.29～0.33，屈服应力为15.0MPa～70.0MPa，切线模量为0.05GPa～0.30GPa；
步骤S4，采用映射方法划分六面体计算网格，六面体计算网格的网格质量指数为0.4～1.0；
步骤S5，添加接触作用，添加初始侵彻速度，设置求解时间；
步骤S6，输出并修正K文件，计算求解；
步骤S7，分析计算结果，检查计算结果是否稳定，如果计算结果不稳定，则返回至步骤S3，重复继续进行步骤S3至步骤S7，直至计算结果稳定准确，继续执行步骤S8；
步骤S8，选取计算结果稳定的典型单元网格节点进行后处理分析，完成侵彻型炸药装药组合结构仿真设计。
2.根据权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，所述深侵彻硬目标或者为混凝土结构，采用混凝土土壤材料模型、连续盖帽材料模型、混凝土损伤材料模型、脆性损伤材料模型、HJC材料模型其中任意之一的材料模型描述；或者为不锈钢结构，采用塑性随动材料模型、Johnson-Cook材料模型其中任意之一的材料模型描述。
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