CN110728070B - 一种耦合熔化和切削机制的预测弹体侵蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合熔化与切削两种机制来预测弹体侵蚀方法，属于冲击动力学领域。包括如下步骤：1、对仿真模型进行初始化设置；2、在所设定的每一个时间步内，由弹体瞬时速度得到弹、靶间壁面的膨胀速度，再根据动态空腔膨胀理论来计算靶体给予弹体表面的法向阻力并进一步得到弹、靶间的动态摩擦力；3、计算得到弹体轮廓的变化；4、对弹体轮廓的更新，计算得到更新后的弹体质量、弹体减加速度以及弹体的瞬时速度。5、基于所设定的终止条件，输出对应的仿真结果。本发明克服了单一机制方法与真实工况不相符的不足，得到侵彻过程中弹体质量、弹体瞬时速度和弹头形状等信息的变化情况，为提高弹体侵彻性能或提高混凝土防护性能提供更多的规律分析信息。

Description

一种耦合熔化和切削机制的预测弹体侵蚀方法
技术领域
本发明涉及一种耦合熔化与切削两种机制来预测弹体侵蚀方法，属于冲击动力学领域。
背景技术
在工程应用和科学计算中，计算机数值模拟已经逐渐成为一种解决复杂问题的重要手段。数值模拟仿真试验技术具有设计灵活、费用低廉、可重复性好等优点，这对认识问题的本质和理论模型的建立都有着重要的作用和意义，是辅助工程应用和武器改进设计的有效手段。此外，仿真试验手段受外界环境和条件的约束较小，可研究单一变量或复杂变量条件下各物理量的变化规律，具有实验和理论研究难以比拟的优势。随着计算机硬件性能和数值算法的快速发展，使用仿真试验手段必然在冲击动力学问题的研究中占据越来越大的比重。
作为一种经典的冲击动力学问题，弹体侵彻问题很早就成为了人们的研究兴趣。随着混凝土这种防护工程材料在民生和军事背景中的应用越来越广泛，弹体侵彻混凝土问题引起了越来越多的关注。弹体侵彻问题是一类涉及高应变率、高温、高压、相变等极端条件的瞬态动力学问题。由于问题的复杂，在半流体转换速度之下，很多计算模型弹体一般被视为刚性。刚性意味着不发生质量损失，不发生形状变化。对侵彻后剩余弹体的观察研究表明，弹体在侵彻过程中会发生侵蚀现象，导致弹体质量下降，弹头形状发生变化。例如，当初始撞击速度达到1000m/s时，4340钢侵彻素混凝土靶后质量损失率近乎9％，弹头发生严重钝化，最终影响弹体对混凝土的侵彻性能。因此，在侵彻问题中将弹体简单视为刚性物质是不符合实际的，对侵彻中弹体侵蚀现象的研究很有必要。
现有考虑弹体侵蚀现象的计算方法主要包括两类：其一，通过众多实验数据拟合经验参数，再根据经验参数来推算侵彻中弹体的侵蚀情况。这类方法的缺陷在于需要积累大量的实验数据，且未能深入剖析弹体侵蚀的内在机理；其二，根据弹体熔化或者弹体切削机制来计算弹体的侵蚀情况，这类计算方法有一定的物理内涵。但对剩余弹体的进一步观测研究表明，弹体侵蚀现象包含了弹体表面熔化和混凝土骨料等硬质颗粒对弹体切削等多种因素，单纯依赖一种机制来推算弹体质量损失存在一定的不足。
发明内容
本发明的目的为了解决侵彻混凝土靶体过程中对弹体侵蚀和弹体侵彻深度计算的问题，提出了一种考虑熔化效应与切削效应的耦合侵蚀数值模拟计算方法。
本发明提出的考虑熔化效应与切削效应的耦合侵蚀数值模拟计算方法综合考虑了真实工况下观测到的弹体表面熔化和骨料对弹体切削这两种侵蚀机制共同作用的情况，相比于现有要么考虑实验拟合的经验规律，要么分析某一种侵蚀机理的方法，本发明提供的方法可以得到更符合实验结果的侵彻后剩余弹体形貌和最终侵彻深度等信息。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种耦合弹体表面熔化和骨料等硬质颗粒对弹体切削的预测弹体侵蚀方法，包括如下步骤：
步骤1：对仿真模型进行初始化设置
首先确定计算域的大小并划分欧拉网格，其次选取弹体剖面的一半并将弹头轮廓线进行离散，最后记录网格步长、离散点坐标、材料属性和初始计算控制参数等；
步骤2：在所设定的每一个时间步内，由弹体瞬时速度得到弹、靶间壁面的膨胀速度，再根据动态空腔膨胀理论来计算靶体给予弹体表面的法向阻力并进一步得到弹、靶间的动态摩擦力；
步骤3：使用二维有限差分法计算弹体表面温度分布，同时计算骨料等硬质颗粒对弹体表面的切削量，最终得到该时间步内，两种侵蚀机制耦合作用下的弹头轮廓离散点的回退距离。进而计算得到弹体轮廓的变化。
步骤4：根据步骤3对弹体轮廓的更新，计算得到更新后的弹体质量、弹体减加速度以及弹体的瞬时速度。
步骤5：基于所设定的终止条件，输出对应的仿真结果。
有益效果
本发明通过耦合弹头表面熔化和骨料对弹头的切削这两大弹体侵蚀机制，模拟弹体在侵彻混凝土过程中的弹体侵蚀。该耦合计算方法克服了单一机制方法与真实工况不相符的不足，又不需要通过大量实验数据来拟合的实验参数。可以得到侵彻过程中弹体质量、弹体瞬时速度和弹头形状等信息的变化情况，这些数据是现有实验手段较难获得的。通过该耦合数值计算方法便于对弹体侵彻混凝土过程进行更详尽的分析，可以为提高弹体侵彻性能或提高混凝土防护性能提供更多的规律分析信息。
附图说明
图1为本发明所述的耦合熔化与切削机制计算弹体侵蚀方法对应的流程步骤图；
图2为本发明所述的弹体在侵彻过程中的二维剖面示意图；
图3为本发明所述的弹体切削示意图；
图4为本发明所述的弹头轮廓线离散点回退示意图；
图5为耦合侵蚀模型预测的不同撞击速度剩余弹体与真实实验剩余弹体对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。
如图1所示，本发明所述一种耦合熔化与切削两种机制来计算弹体侵蚀的方法，包括如下步骤：
(1)、对仿真模型进行初始化设置。
首先确定计算域的大小并划分欧拉网格，其次选取弹体剖面的一半并将弹头轮廓线进行离散，最后记录网格步长、离散点坐标、材料属性和初始计算控制参数等；
具体的，作为本发明的优选实例，所述步骤1包括：
步骤101、由于问题的轴对称属性，一般选取弹体二维剖面的一半进行分析。首先，根据弹体的真实尺寸来确定计算域的大小。并将弹体轮廓线离散为合适间距的一组离散点。使用数组记录离散点坐标信息。
步骤102、在保证计算效率的情况下，参考离散点坐标，在计算域内划分欧拉网格，建立弹体仿真模型。并使用数组记录网格步长等信息。
步骤103、设定弹体、靶体的材料参数，包括密度、屈服强度、杨氏模量、泊松比、熔点、热容、混凝土抗压强度等。
步骤104、设定初始计算控制参数；所述的计算控制参数包括弹体初始撞击速度、初始时间步长、保存结果的步数间隔等信息。
(2)、在所设定的每一个时间步内，由弹体瞬时速度得到弹、靶间壁面的膨胀速度，再根据动态空腔膨胀理论来计算靶体给予弹体表面的法向阻力并进一步得到弹、靶间的动态摩擦力；
步骤2包括：
步骤21、根据本时间步内弹体的瞬时速度vp和公式
Figure BDA0002244059140000041
计算每一个弹体轮廓离散点处弹、靶壁面膨胀速度vr。其中，
Figure BDA0002244059140000042
为图2中所示角度；
步骤22、根据动态空腔膨胀理论的计算公式：
Figure BDA0002244059140000043
得到每一个离散点处的径向应力σr，其中fc′是混凝土靶体的无侧限抗压强度，ρp是弹体的密度，参数A,B,C可根据靶体材料参数计算得到。此外，可根据Klepaczko理论计算该处的动态摩擦系数μ。则每一个弹体轮廓离散点处的动态摩擦阻力为：f＝σr·μ；
(3)、使用二维有限差分法计算弹体表面温度分布，同时计算骨料等硬质颗粒对弹体表面的切削量，最终得到该时间步内，两种侵蚀机制耦合作用下的弹头轮廓离散点的回退距离。进而计算得到弹体轮廓的变化。
步骤3包括：
步骤31、根据动态摩擦阻力和弹体瞬时速度计算由于弹靶间摩擦导致的摩擦热。建立笛卡尔直角坐标系，再由傅里叶定律和热平衡理论建立的二维非稳态热传导公式：
Figure BDA0002244059140000044
计算弹体表面的温度分布。式中，T代表温度值，t代表时间，x和y分别是笛卡尔X轴和Y轴的坐标，ρp,cp,λ分别是弹体的密度、热容和热传导系数。
步骤32、根据上一步骤得到的弹体表面温度，再结合Johnson-Cook本构模型计算弹体表面材料的屈服强度。然后，由Rabinowicz经典理论并结合弹体切削情况该时间步内由于切削机制引起的切削量。Rabinowicz经典理论的切削示意图如图3所示。
步骤33、由以上两步得到该时间步后，每一个弹体轮廓离散点的法向回退值。如图4所示，计算新的离散点坐标，并通过二次项拟合计算新的弹体轮廓曲线以便于下一个时间步弹体阻力的计算。
(4)、根据步骤3对弹体轮廓的更新，计算得到更新后的弹体质量、弹体减加速度以及弹体的瞬时速度。
(5)、基于所设定的终止条件，终止主循环。输出侵彻后的仿真结果。具体地，作为本发明的优选实例，所述步骤5包括：当弹体瞬时速度降到0m/s(或具体设定的某值)，将相关的数据，如不同时间步的弹体质量、减加速度、弹体瞬时速度和弹头形状等，写入文件。
选取1.6kg弹体撞击51MPa混凝土靶体的真实侵彻实验为例。表1展示了耦合侵蚀模型的预测结果与真实实验数据的对比。可以看到，耦合侵蚀模型与实验数据吻合较好。耦合侵蚀计算模型还可以得到整个侵彻过程中弹体形貌的变化历程。为验证耦合模型预测的弹体形貌，选取不同撞击速度下耦合模型预测的剩余弹体形貌与真实实验结果进行对比，发现预测剩余弹形与真实剩余弹形吻合较好，具体图形记录于图5中。
表1耦合侵蚀模型预测结果与真实实验数据的对比
Figure BDA0002244059140000051
通过上述实施例，可以看出本发明所述一种耦合熔化和切削机制的预测弹体侵蚀方法克服了单一机制方法与真实工况不相符的不足，又不需要通过大量实验数据来拟合的实验参数。可以得到侵彻过程中弹体质量、弹体瞬时速度和弹头形状等信息的变化情况，这些数据是现有实验手段较难获得的。通过该耦合数值计算方法便于对弹体侵彻混凝土过程进行更详尽的分析，可以为提高弹体侵彻性能或提高混凝土防护性能提供更多的规律分析信息。
以上所述，仅未本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种耦合熔化与切削两种机制来预测弹体侵蚀方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、对仿真模型进行初始化设置
首先确定计算域的大小并划分欧拉网格，其次选取弹体剖面的一半并将弹头轮廓线进行离散，最后记录包括网格步长、离散点坐标、材料属性和初始计算控制参数；对仿真模型进行初始化设置，具体包括如下步骤：
步骤101、由于问题的轴对称属性，选取弹体二维剖面的一半进行分析；首先，根据弹体的真实尺寸来确定计算域的大小，并将弹体轮廓线离散为合适间距的一组离散点，使用数组记录离散点坐标信息；
步骤102、在保证计算效率的情况下，参考离散点坐标，在计算域内划分欧拉网格，建立弹体仿真模型，并使用数组记录网格步长信息；
步骤103、设定弹体、靶体的材料参数，包括密度、屈服强度、杨氏模量、泊松比、熔点、热容、混凝土抗压强度；
步骤104、设定初始计算控制参数；所述的计算控制参数包括弹体初始撞击速度、初始时间步长、保存结果的步数间隔信息；
步骤2、在所设定的每一个时间步内，由弹体瞬时速度得到弹、靶间壁面的膨胀速度，再根据动态空腔膨胀理论来计算靶体给予弹体表面的法向阻力并进一步得到弹、靶间的动态摩擦力；
步骤3、使用二维有限差分法计算弹体表面温度分布，同时计算骨料硬质颗粒对弹体表面的切削量，最终得到该时间步内，两种侵蚀机制耦合作用下的弹头轮廓离散点的回退距离，进而计算得到弹体轮廓的变化；
步骤4、根据步骤3对弹体轮廓的更新，计算得到更新后的弹体质量、弹体减加速度以及弹体的瞬时速度；
步骤5、基于所设定的终止条件，输出对应的仿真结果。
2.根据权利要求1所述的一种耦合熔化与切削两种机制来预测弹体侵蚀方法，其特征在于所述步骤2包括如下步骤：
步骤21、根据本时间步内弹体的瞬时速度vp和公式
Figure FDA0003159591100000011
计算每一个弹体轮廓离散点处弹、靶壁面膨胀速度vr；
步骤22、根据动态空腔膨胀理论的计算公式：
Figure FDA0003159591100000021
得到每一个离散点处的径向应力σr，其中f′c是混凝土靶体的无侧限抗压强度，ρp是弹体的密度，参数A,B,C根据靶体材料参数计算得到；此外，根据Klepaczko理论计算该处的动态摩擦系数μ；则每一个弹体轮廓离散点处的动态摩擦阻力为：f＝σr·μ。
3.根据权利要求1所述的一种耦合熔化与切削两种机制来预测弹体侵蚀方法，其特征在于所述步骤3包括如下步骤：
步骤31、根据动态摩擦阻力和弹体瞬时速度计算由于弹靶间摩擦导致的摩擦热；建立笛卡尔直角坐标系，再由傅里叶定律和热平衡理论建立的二维非稳态热传导公式：
Figure FDA0003159591100000022
计算弹体表面的温度分布；式中，T代表温度值，t代表时间，x和y分别是笛卡尔X轴和Y轴的坐标，ρp,cp,λ分别是弹体的密度、热容和热传导系数；
步骤32、根据步骤31得到的弹体表面温度，再结合Johnson-Cook本构模型计算弹体表面材料的屈服强度；然后，由Rabinowicz经典理论并结合弹体切削情况计算该时间步内由于切削机制引起的切削量；
步骤33、由步骤31和步骤32得到该时间步结束后每一个弹体轮廓离散点的法向回退值；计算新的离散点坐标，并通过二次项拟合计算新的弹体轮廓曲线以便于下一个时间步弹体阻力的计算。
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