CN114065403B - 基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法 - Google Patents

基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，涉及高速弹体侵彻技术领域，该方法包括：建立高速弹体模型；建立舰船多层结构靶板标准模型；确定高速弹体模型和靶板标准模型材料参数；设定高速弹体侵彻多层结构靶板时在第一层靶板的若干个着弹点位置；对于每个着弹点位置，确定高速弹体穿透每一层靶板的飞行距离和偏转角度；根据飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值；当弹道变化值不超过阈值时，确定高速弹体侵彻多层结构靶板后的弹体结构的毁伤程度；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。该方法能够准确模拟高速弹体侵彻舰船多层靶板过程中的弹道偏转特性，为高速弹体结构设计提供评估指标。

Description

基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法
技术领域
本发明涉及高速弹体侵彻技术领域，尤其是一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法。
背景技术
高速弹体侵彻多层靶板结构是一个瞬态强非线性的物理过程，涉及材料动力学、冲击动力学、塑性力学等多门学科。与传统研究的高速弹体侵彻单层匀质金属板相比，高速弹体侵彻多层靶板结构更加注重关注弹体侵彻各层靶板时的姿态变化以及弹体结构毁伤特征，即弹体弹道偏转特征与弹体结构稳定性，尤其是当多层靶板结构为非匀质结构时。
加筋板靶板模型通常被视为水面舰船结构的简化模型，当高速弹体着弹点位置处于加筋结构时，由于受力不均匀，弹体易形成偏转或者局部毁伤破坏，掌握高速弹体侵彻多层加筋板靶时的弹道特性及弹体结构毁伤特征具有重要的工程意义。由于高速弹体侵彻非均匀加筋结构问题较为复杂，侵彻过程通常伴随着材料的应变率效应、靶板材料的破坏、破口区域的温升等复杂物理现象，建立理论分析方法难度较大，而侵彻试验耗费的人力物力较多，仿真分析可以再现弹体侵彻的物理过程，计算效率高且成本低，目前已成为高速弹体侵彻分析的主要手段。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，本发明的技术方案如下：
一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，包括：
建立高速弹体模型；
建立舰船多层结构靶板标准模型；
确定高速弹体模型和靶板标准模型材料参数；
设定高速弹体侵彻多层结构靶板时在第一层靶板的若干个着弹点位置；
对于每个着弹点位置，确定高速弹体穿透每一层靶板的飞行距离和偏转角度；
根据飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值；
当弹道变化值不超过阈值时，确定高速弹体侵彻多层结构靶板后的弹体结构的毁伤程度；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
根据毁伤程度确定弹体结构的稳定性级别；
当稳定性级别不超过级别设定值时，确定高速弹体模型满足设计要求；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
其进一步的技术方案为，建立高速弹体模型，包括：建立高速弹体战斗部有限元模型，战斗部包括壳体结构、内部装药结构和尾端引信连接结构，有限元模型采用solid单元进行网格划分，且网格尺寸与弹径比值小于预设值。
其进一步的技术方案为，建立舰船多层结构靶板标准模型，包括：
根据多层结构靶板模型和大中型水面舰船结构特征确定舰船多层复杂结构靶板标准模型，标准模型中的甲板和加筋采用solid单元进行划分，碰撞区域网格尺寸与弹体模型保持一致，网格尺寸与弹径比值小于预设值，甲板边界采用固支。
其进一步的技术方案为，确定高速弹体模型和靶板标准模型材料参数，包括：
采用JC本构模型和JC失效模型确定高速弹体模型的战斗部壳体结构和舰船多层结构靶板标准模型材料参数；采用弹塑性模型确定高速弹体模型的内部装药结构和尾端引信连接结构材料参数。
其进一步的技术方案为，根据飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值，包括按照如下公式计算：
Figure BDA0003389188980000021
其中，i∈{1,2,...,n}，γi表示高速弹体穿透第i层靶板的弹道变化值，θi1表示高速弹体穿透第i层靶板后的偏转角度，θi0表示高速弹体穿透第i层靶板前的偏转角度，Di表示高速弹体穿透第i层靶板的飞行距离。
其进一步的技术方案为，弹体结构的稳定性级别包括：
级别1，高速弹体结构未出现塑性变形；
级别2，高速弹体结构头部出现塑性变形，但整体结构保持完整性；
级别3，高速弹体结构出现头部碎裂破坏、头部整体屈曲、壳体中段屈曲中的至少一种；
级别4，高速弹体结构壳体碎裂。
其进一步的技术方案为，当稳定性级别不超过级别设定值时，确定高速弹体模型满足设计要求；否则确定高速弹体模型不满足设计要求，包括：
当稳定性级别为级别1或级别2时，确定高速弹体模型满足设计要求；
当稳定性级别为级别3或级别4时，确定高速弹体模型不满足设计要求。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
当确定高速弹体模型不满足设计要求时，重新建立高速弹体模型。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开了一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，结合有限元分析软件，对影响仿真分析结果的关键参数设置进行改进，对仿真计算中的靶板模型、弹体模型简化进行改进，可准确模拟高速弹体侵彻舰船多层靶板过程中的弹道、弹体结构毁伤特性，一方面指出高速弹体侵彻过程中自身结构设计的薄弱环节，为高速弹体结构设计提供技术指导，另一方面可用于评估高速弹体侵彻舰船多层复杂结构靶时的响应，为舰船抗高速防护设计提供分析依据。
附图说明
图1为一个实施例中的基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法的流程示意图。
图2为一个实施例中的高速弹体侵彻多层结构靶板模型示意图。
图3为另一个实施例中的基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法的流程示意图。
图4为一个实施例中的高速弹体模型材料失效模型参数取值与网格尺寸之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，图2给出了高速弹体侵彻多层结构靶板模型示意图。
本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤102，建立高速弹体模型。
步骤104，建立舰船多层结构靶板标准模型。
步骤106，确定高速弹体模型和靶板标准模型材料参数。
步骤108，设定高速弹体侵彻多层结构靶板时在第一层靶板的若干个着弹点位置。
步骤110，对于每个着弹点位置，确定高速弹体穿透每一层靶板的飞行距离和偏转角度。
步骤112，根据飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值。
步骤114，当弹道变化值不超过阈值时，确定高速弹体侵彻多层结构靶板后的弹体结构的毁伤程度；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
上述实施例通过结合有限元分析软件，对影响仿真分析结果的关键参数设置进行改进，对仿真计算中的靶板模型、弹体模型简化进行改进，从而能够准确模拟高速弹体侵彻舰船多层靶板过程中的弹道偏转特性，为高速弹体结构设计提供评估指标。
在一个实施例中，评估方法还包括：
步骤202，根据毁伤程度确定弹体结构的稳定性级别。
可选的，弹体结构的稳定性级别包括：
级别1，高速弹体结构未出现塑性变形；
级别2，高速弹体结构头部出现塑性变形，但整体结构保持完整性；
级别3，高速弹体结构出现头部碎裂破坏、头部整体屈曲、壳体中段屈曲中的至少一种；
级别4，高速弹体结构壳体碎裂。
步骤204，当稳定性级别不超过级别设定值时，确定高速弹体模型满足设计要求；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
可选的，当稳定性级别为级别1或级别2时，确定高速弹体模型满足设计要求；
当稳定性级别为级别3或级别4时，确定高速弹体模型不满足设计要求。
上述实施例中，进一步通过准确模拟高速弹体侵彻舰船多层靶板过程中的弹体结构毁伤程度，指出高速弹体侵彻过程中自身结构设计的薄弱环节，为高速弹体结构设计提供评估指标。
在一个实施例中，评估方法还包括：
当确定高速弹体模型不满足设计要求时，重新建立高速弹体模型。
在一个实施例中，如图3所示，还提供了一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，具体包括：
步骤302，建立高速弹体模型。
具体的，建立高速弹体战斗部有限元模型，战斗部包括壳体结构、内部装药结构和尾端引信连接结构，有限元模型采用solid单元进行网格划分，且网格尺寸与弹径比值小于预设值；本实施例中的预设值为1/50。
步骤304，建立舰船多层结构靶板标准模型。
具体的，根据多层结构靶板模型和大中型水面舰船结构特征确定舰船多层结构靶板标准模型，本实施例设计了6层结构，具体参数见表1所示，标准模型中的甲板和加筋采用solid单元进行划分，碰撞区域网格尺寸与弹体模型保持一致，网格尺寸与弹径比值小于预设值，甲板边界采用固支；本实施例中的预设值为1/50。
表1舰船多层结构靶板标准模型参数(单位：mm)
各层甲板 甲板厚度 横梁尺寸 纵骨型号 与上层甲板间距
甲板1 12 12×500/16×220 10×200/20×70 —
甲板2 6 10×400/14×180 6×130/12×40 2500
甲板3 10 8×320/14×140 6×130/12×40 2500
甲板4 5 7×280/12×120 6×90/10×40 2500
甲板5 5 7×280/12×120 6×90/10×40 2500
甲板6 5 7×280/12×120 6×90/10×40 2500
步骤306，确定高速弹体模型和靶板标准模型材料参数。
具体的，采用JC本构模型和JC失效模型确定高速弹体模型的战斗部壳体结构和舰船多层结构靶板标准模型材料参数，其中JC本构模型各参数依据高应变率(1000s-1)试验数据作为参考应变率进行拟合，JC失效模型失效应变缩放系数取值与单元尺寸取值关系见图4所示。采用弹塑性模型确定高速弹体模型的内部装药结构和尾端引信连接结构材料参数。
步骤308，设定高速弹体侵彻多层结构靶板时在第一层靶板的若干个着弹点位置。
步骤310，对于每个着弹点位置，确定高速弹体穿透每一层靶板的飞行距离和偏转角度。
步骤312，根据飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值。
具体的，根据着弹点位置、飞行距离和偏转角度确定高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值，包括按照如下公式计算：
Figure BDA0003389188980000061
其中，i∈{1,2,...,n}，γi表示高速弹体穿透第i层靶板的弹道变化值，θi1表示高速弹体穿透第i层靶板后的偏转角度，θi0表示高速弹体穿透第i层靶板前的偏转角度，Di表示高速弹体穿透第i层靶板的飞行距离。
步骤314，当弹道变化值不超过阈值时，确定高速弹体侵彻多层结构靶板后的弹体结构的毁伤程度；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
步骤316，根据毁伤程度确定弹体结构的稳定性级别。
具体的，弹体结构的稳定性级别包括：
级别1，高速弹体结构未出现塑性变形；
级别2，高速弹体结构头部出现塑性变形，但整体结构保持完整性；
级别3，高速弹体结构出现头部碎裂破坏、头部整体屈曲、壳体中段屈曲中的至少一种；
级别4，高速弹体结构壳体碎裂。
步骤318，当稳定性级别不超过级别设定值时，确定高速弹体模型满足设计要求；否则确定高速弹体模型不满足设计要求。
具体的，当稳定性级别为级别1或级别2时，确定高速弹体模型满足设计要求；当稳定性级别为级别3或级别4时，确定高速弹体模型不满足设计要求。
步骤320，当确定高速弹体模型不满足设计要求时，重新建立高速弹体模型。
具体的，当确定高速弹体模型不满足设计要求时，重复步骤302至步骤318，直至高速弹体模型满足设计要求。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于侵彻舰船多层结构靶板的高速弹体模型评估方法，其特征在于，所述方法包括：
建立高速弹体模型；
建立舰船多层结构靶板标准模型；
确定所述高速弹体模型和靶板标准模型材料参数；
设定高速弹体侵彻多层结构靶板时在第一层靶板的若干个着弹点位置；
对于每个所述着弹点位置，确定所述高速弹体穿透每一层靶板的飞行距离和偏转角度；
根据所述飞行距离和偏转角度确定所述高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值；
当所述弹道变化值不超过阈值时，确定所述高速弹体侵彻多层结构靶板后的弹体结构的毁伤程度；否则确定所述高速弹体模型不满足设计要求；
所述方法还包括：
根据所述毁伤程度确定弹体结构的稳定性级别；
当所述稳定性级别不超过级别设定值时，确定所述高速弹体模型满足设计要求；否则确定所述高速弹体模型不满足设计要求；
所述根据所述飞行距离和偏转角度确定所述高速弹体穿透每一层靶板的弹道变化值，包括按照如下公式计算：
Figure FDA0004252342330000011
其中，i∈{1,2,...,n}，γi表示高速弹体穿透第i层靶板的弹道变化值，θi1表示高速弹体穿透第i层靶板后的偏转角度，θi0表示高速弹体穿透第i层靶板前的偏转角度，Di表示高速弹体穿透第i层靶板的飞行距离；
所述弹体结构的稳定性级别包括：
级别1，高速弹体结构未出现塑性变形；
级别2，高速弹体结构头部出现塑性变形，但整体结构保持完整性；
级别3，高速弹体结构出现头部碎裂破坏、头部整体屈曲、壳体中段屈曲中的至少一种；
级别4，高速弹体结构壳体碎裂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立高速弹体模型，包括：建立高速弹体战斗部有限元模型，所述战斗部包括壳体结构、内部装药结构和尾端引信连接结构，所述有限元模型采用solid单元进行网格划分，且网格尺寸与弹径比值小于预设值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立舰船多层结构靶板标准模型，包括：
根据多层结构靶板模型和大中型水面舰船结构特征确定舰船多层结构靶板标准模型，所述标准模型中的甲板和加筋采用solid单元进行划分，碰撞区域网格尺寸与弹体模型保持一致，所述网格尺寸与弹径比值小于预设值，甲板边界采用固支。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述高速弹体模型和靶板标准模型材料参数，包括：
采用JC本构模型和JC失效模型确定高速弹体模型的战斗部壳体结构和舰船多层复杂结构模型材料参数；采用弹塑性模型确定高速弹体模型的内部装药结构和尾端引信连接结构材料参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述稳定性级别不超过级别设定值时，确定所述高速弹体模型满足设计要求；否则确定所述高速弹体模型不满足设计要求，包括：
当所述稳定性级别为级别1或级别2时，确定所述高速弹体模型满足设计要求；
当所述稳定性级别为级别3或级别4时，确定所述高速弹体模型不满足设计要求。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当确定所述高速弹体模型不满足设计要求时，重新建立高速弹体模型。
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