CN110532656A - 一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，针对战斗部和侵彻舰船目标的具体情况，确定战斗部重量、速度以及目标板架结构的几何尺寸和材料；将原型板架结构加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度；对于原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度；基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。本发明方法可以指导单层靶标材料等效设计方法，保证剩余速度、破口与塑性区的相似性，降低制作成本。

Description

一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法

技术领域

本发明涉及一种单层靶标材料等效设计方法，尤其涉及一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，属于战斗部侵彻效能评估技术领域。

背景技术

对于战斗部侵彻能力的评估，是考核其实战性能的重要一环。侵彻能力的评估通常采用舰船靶标侵彻试验。然而，舰船特种钢价格昂贵，采用特种钢制作的靶标造价过高，因此有必要开发采用普通钢替代特种钢的材料等效设计技术。

目前国内对于普通钢代替特种钢方面，主要采用强度等效方法，对于平板而言，此种方法保证原型与模型的板厚与屈服强度乘积相等。但此方法缺乏理论证明，且不能保证毁伤相似性。因此有必要开发有效的普通钢替代特种钢的材料等效设计技术。另一方面，加筋板与平板的力学侵彻响应不同，其加强筋会显著影响剩余速度与弹道轨迹。国内对于加筋板，仅能将其通过强度等效方法等效为平板进行试验，这样无法达到侵彻毁伤相似性。因此，需要开发板架结构侵彻毁伤相似的材料等效设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，本发明基于塑性动力学原理并计及应变率强化效应，所设计等效板架结构，其剩余速度、破口及塑性区与原型具有相似性。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤1，针对战斗部和侵彻目标的情况，确定战斗部重量、速度以及侵彻目标的板架结构的几何尺寸和材料；

步骤2，将原型板架结构的加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度，得到原型材料等效厚度平板；

步骤3，对于等效后的原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度，得到模型材料等效厚度平板；

步骤4，基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；

步骤5，基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤1中的战斗部的结构参数包括战斗部质量m，战斗部速度U；侵彻目标的板架结构参数包括材料屈服极限Σ₀，应变率强化参数D和Q，板厚H，纵骨与横梁的加强筋极限弯矩M_z和M_h。

2.步骤2中所述的极限弯矩计算公式为：

M₀＝σ₀(S₁+S₂)

式中：M₀为梁的极限弯矩，σ₀为屈服应力，S₁和S₂为中性轴以上面积和中性轴以下面积对中性轴的静矩。

3.步骤3中所述的计及应变率效应的变形等效方法计算公式为：

式中：h和H为模型与原型的板厚，w_f和W_f为模型与原型的最大塑性位移，σ₀和Σ₀为模型与原型材料的静屈服极限，T_m与T_s为模型靶板与原型靶板的穿靶时间，l与L为模型靶板与原型靶板尺寸，d、q和D、Q为模型材料与原型材料的应变率强化参数。

4.步骤4中所述的模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构时，等效后板厚与梁的结构参数符合舰船结构统计规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法，根据战斗部输入参数与靶板目标特性，通过理论计算能够设计出侵彻动力学等效材料靶板模型，为等效材料靶标的设计提供指导，为应用普通钢代替特种钢制作靶标提供理论依据，能够显著降低靶标制造成本。本等效方法计及材料应变率强化效应，依据本方法设计的等效材料靶板，在侵彻剩余速度、破口尺寸以及塑性区范围上与原型靶板具有相似性，且本方法理论计算清晰可行，具有工程价值。

附图说明

图1是本发明的侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法的流程图；

图2是数值计算有限元模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，本发明的一种侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法，包括以下步骤：

步骤1，针对战斗部和侵彻目标的具体情况，确定战斗部重量、速度以及目标板架结构的几何尺寸和材料；

步骤2，将原型板架结构加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度；

步骤3，对于原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度；

步骤4，基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；

步骤5，基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。

上述方案中，步骤1中所述的弹体结构参数包括弹体质量m，弹体速度U；板架结构参数包括材料屈服极限Σ₀，应变率强化参数D和Q，板厚H，纵骨与横梁的加强筋极限弯矩M_z和M_h。

上述方案中，步骤2中所述的极限弯矩计算公式为：

M₀＝σ₀(S₁+S₂) (1)

式中：M₀为梁的极限弯矩，σ₀为屈服应力，S₁和S₂为中性轴以上面积和中性轴以下面积对中性轴的静矩。

上述方案中，步骤3中所述的计及应变率效应的变形等效方法计算公式为：

式中：h和H为模型与原型的板厚，w_f和W_f为模型与原型的最大塑性位移，σ₀和Σ₀为模型与原型材料的静屈服极限，T_m与T_s为模型靶板与原型靶板的穿靶时间，l与L为模型靶板与原型靶板尺寸，d、q和D、Q为模型材料与原型材料的应变率强化参数。

W_f为最大塑性位移，是弹在穿透板架结构前板架结构的最大位移，其计算公式为：

式中：γ_s为弹体质量与板架塑性区质量之比，计算公式为：

式中：M_S为平板塑性区部分质量，R为塑性区半径，μ_s为平板单位面积质量。

Ω_s＝mU²/2Σ₀H³ (5)

W_f与塑性区半径R有关，其求解需要利用塑性区半径与W_f的另一关系式：

式中，ρ为材料密度。此式根据弹体运动过程能量守恒推导而得，在推导时假设靶板只有中面力作用。对于舰船板架结构，有

可以得到塑性区半径与最大塑性位移的近似关系式

将式(8)代入式(3)，求解方程可以得到W_f与R。

T_s为达到最大位移所用时间，计算公式为：

式中：

w_f和T_m的求法与式(3)-(11)相同，只需将式中原型参数换为模型参数。

通过求解式(2)得到的材料等效厚度，可以满足侵彻过程最大塑性变形相似，即

上述方案中，步骤4中所述的模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构时，梁的极限弯矩计算公式为式(1)，等效后板厚与梁的结构参数不唯一，需符合舰船结构统计规律。

舰船统计规律参考如下：

板架结构等效板厚定义为

式中：δ为质量等效厚度，t为板厚，n₁为纵向加强筋数量，S₁为纵向加强筋截面面积，n₂为横向加强筋数量，S₂为横向加强筋截面面积，L为板架长，B为板架宽。

(1)对于上层建筑D04～D02甲板非连续甲板，等效厚度与板厚比值近似为定值，分别为1.48、1.55、1.67；

对于上层建筑D01甲板和主船体D1～D3甲板连续甲板，等效厚度与板厚比值随排水量变化规律拟合公式：

δ_D01/t_D01＝2.3256Δexp(-0.03989) R²＝1.00 (14)

δ_D1/t_D1＝2.4607Δexp(-0.05398) R²＝1.00 (15)

δ_D2/t_D2＝2.3765Δexp(-0.05417) R²＝1.00 (16)

式中：δ/t为甲板等效厚度与板厚比值；Δ为船体排水量单位为吨。

(2)对于舰船底部目标

a.双层底板架等效厚度与内底板厚比值计算公式为：

δ_DoubleBottom/t_InnerBottom＝0.7261Δexp(0.06380) R²＝0.98 (17)

b.双层底板架等效厚度与外底板厚比值计算公式为：

δ_DoubleBottom/t_Bottom＝1.4198Δexp(-0.04717) R²＝1.00 (18)

c.内、外底板厚度比值计算公式为：

t_Bottom/t_InnerBottom＝0.5114Δexp(0.1110) R²＝0.99 (19)

(3)对于舷侧目标靶板

a.上层建筑舷墙等效厚度与板厚比值随排水量变化计算公式为：

δ_Bulwark/t_Bulwark＝2.5162Δexp(-0.06628) R²＝1.00 (20)

b.舷侧等效厚度与板厚比值随排水量变化计算公式为：

δ_Broadside/t_Broadside＝3.0011Δexp(-0.07749) R²＝1.00 (21)

上述方案中，步骤5中所述的基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，需要等效靶板与原型靶板的此三项指标都在允许误差范围内，可以认为材料等效设计的有效。其中，各个指标的允许误差依据设计指标的要求确定。

下面选取某一战斗部侵彻某型舰船甲板的情形作为实施例具体说明本发明的侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法，具体步骤如下：

步骤1，针对战斗部和侵彻目标的具体情况，确定战斗部重量、速度以及目标板架结构的几何尺寸和材料。

本实施例中弹体(战斗部)与靶板(侵彻目标的板架结构)参数如下表1所示，

表1弹体与靶板参数表

921钢与Q235钢的材料属性如下表2所示，

表2材料参数表

步骤2，将原型板架结构加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度。

根据步骤1中所确定的靶板的几何与材料参数，以及横梁纵骨参数，计算出横梁和纵骨的极限弯矩M_h和M_z分别为：

M_h＝σ₀(S₁+S₂)＝3.22×10⁵Nm

M_z＝σ₀(S₁+S₂)＝7.58×10⁴Nm

加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度如下表3所示。

表3等效平板厚度表

步骤3，对于原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度；

首先联立求解方程(3)与(8)，获得W_f与R，公式中的参数为：

∑₀＝681MPa，ρ＝7850kg/m3，U＝750m/s，H＝0.0716m，μ_s＝ρH＝562.06kg/m²，

Ω_s＝mU²/2Σ₀H³＝337.54，

求解出W_f＝0.9507m与R＝0.6467m，

进一步求解方程(2)，可以得到等效板厚，其中参数为：

σ₀＝235MPa，D＝71588.46，Q＝2.4915，d＝40.4，q＝5，L＝l＝3m。

计算所得板厚如下表4所示。为了与其它等效方法比较，本实施例也对其它两种等效方法进行计算，这两种等效方法分别是强度等效方法与剩余速度等效方法，强度等效公式为：

σ₀h＝∑₀H

剩余速度等效公式为：

此两种等效方法得到的等效板厚也列入表4中。

表4等效板厚表

步骤4，基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；

由于目标为甲板板架，因此统计规律采用式(14)描述，

δ_D01/t_D01＝2.3256Δexp(-0.03989)＝1.56

等效后加筋板型号为：

表5等效板架结构参数表

步骤5，基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。

建立有限元模型对原型板架结构与等效后板架结构侵彻进行计算，有限元模型如图2所示。计算所得比较结果如下表6-8所示。

表6剩余速度比较

表7破口大小比较表

表8塑性区比较表

由此可见，本发明所提出的一种侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法所得出的板架结构侵彻剩余速度误差为1.24％，破口误差为3.33％，塑性区误差为4.35％。即计算结果吻合较好，能够满足工程应用的需要。特别的，计算误差小于传统强度等效靶板，因此更为有效。

综上，本发明涉及一种侵彻毁伤相似的单层靶标材料等效设计方法，针对战斗部和侵彻舰船目标的具体情况，确定战斗部重量、速度以及目标板架结构的几何尺寸和材料；将原型板架结构加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度；对于原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度；基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。本发明方法可以指导单层靶标材料等效设计方法，保证剩余速度、破口与塑性区的相似性，降低特种钢靶标制作成本。

Claims (5)

1.一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1，针对战斗部和侵彻目标的情况，确定战斗部重量、速度以及侵彻目标的板架结构的几何尺寸和材料；

步骤2，将原型板架结构的加强筋通过极限弯矩等效为平板厚度，得到原型材料等效厚度平板；

步骤3，对于等效后的原型材料等效厚度平板，通过计及应变率效应的变形等效方法，计算模型材料平板的等效厚度，得到模型材料等效厚度平板；

步骤4，基于极限弯矩等效原则和舰船结构统计规律，将模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构；

步骤5，基于有限元方法计算原型板架结构与模型材料板架结构的侵彻动力学响应，包括剩余速度、破口直径、塑性区直径，检验材料等效设计的有效性。

2.根据权利要求1所述的一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，其特征在于：步骤1中的战斗部的结构参数包括战斗部质量m，战斗部速度U；侵彻目标的板架结构参数包括材料屈服极限Σ₀，应变率强化参数D和Q，板厚H，纵骨与横梁的加强筋极限弯矩M_z和M_h。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，其特征在于：步骤2中所述的极限弯矩计算公式为：

M₀＝σ₀(S₁+S₂)

式中：M₀为梁的极限弯矩，σ₀为屈服应力，S₁和S₂为中性轴以上面积和中性轴以下面积对中性轴的静矩。

4.根据权利要求3所述的一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，其特征在于：步骤3中所述的计及应变率效应的变形等效方法计算公式为：

式中：h和H为模型与原型的板厚，w_f和W_f为模型与原型的最大塑性位移，σ₀和Σ₀为模型与原型材料的静屈服极限，T_m与T_s为模型靶板与原型靶板的穿靶时间，l与L为模型靶板与原型靶板尺寸，d、q和D、Q为模型材料与原型材料的应变率强化参数。

5.根据权利要求4所述的一种基于侵彻毁伤相似性的金属板架结构等效设计方法，其特征在于：步骤4中所述的模型材料等效厚度平板转化为模型材料板架结构时，等效后板厚与梁的结构参数符合舰船结构统计规律。