CN114861508A - 一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法 - Google Patents

一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法 Download PDF

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CN114861508A CN202210788839.0A CN202210788839A CN114861508A CN 114861508 A CN114861508 A CN 114861508A CN 202210788839 A CN202210788839 A CN 202210788839A CN 114861508 A CN114861508 A CN 114861508A
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Abstract

本发明公开了一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，包括步骤：一、根据子弹与金属平板材料的力学性能试验获得金属平板的本构参数；二、根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度；三、在有限元软件中建立子弹侵蚀金属平板的有限元模型；四、有限元分析中输入子弹的输入初速度，获取子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度；五、判断子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度是否等于0；六、子弹穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算；七、子弹未穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算。本发明快速准确地对金属平板的弹道极限速度进行有效计算，节省了大量的人力与物力资源。

Description

一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法
技术领域
本发明属于金属平板弹道结构极限计算技术领域，具体涉及一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法。
背景技术
飞机在作战中不可避免会遭遇到射弹、导弹碎片等高能离散源的撞击。为提高飞机的战时生存能力，必须对飞机结构进行抗战伤设计，而对结构高速冲击损伤的研究是结构抗战伤设计的基础。
金属平板广泛应用于飞机机身结构中，弹道极限速度是判断弹体能否穿透靶板的依据，在毁伤及防护领域均有重要意义。在防护领域中，飞机抗侵彻设计的关键技术就是设计有效的拦阻结构使得弹道极限速度大于战斗的初始速度，从而保证子弹无法穿透靶板。金属平板的弹道极限与其强度、厚度等一般为正相关的关系，较强、较厚的金属平板通常可以满足结构抵抗高能破片冲击的需求。但在飞机设计与优化的过程中，过厚的平板与结构高比强度与轻量化的设计理念背道而驰，且大大增加了材料的损耗，经济效益较低。
常规金属平板的弹道极限主要采用弹道冲击试验或者数值仿真的方法，弹道冲击试验需要消耗大量的人力物力；有限元计算结果准确性受材料模型、网格质量等因素影响同时与技术人员仿真经验是否丰富关系比较密切，同时有限元计算运算量大，实际实施效率低。因此现如今缺少一种能够准确有效且快速的对飞机机身金属平板弹道结构极限进行计算的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，基于力学性能试验为有限元仿真分析提供金属平板的本构参数，根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，得到金属平板弹道极限速度的大致范围，为有限元仿真分析初速度输入提供了精准的参考，避免了有限元仿真分析初始计算速度输入与金属平板实际弹道极限速度相差较大，缩小了有限元仿真分析的次数，大大减少了计算时所消耗的时间，快速准确地对金属平板的弹道极限速度进行有效预测，节省了大量的人力与物力资源，降低成本，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据子弹与金属平板材料的力学性能试验获得金属平板的本构参数，所述金属平板的本构参数包括金属平板的屈服强度、应力应变曲线和应变率温度曲线；
步骤二、根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，其中，子弹侵彻金属平板试验过程中，子弹运动轨迹认为是直线运动，子弹视为球形刚形体子弹；
根据经验公式
Figure 992468DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 261775DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 375224DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 300455DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 337812DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 664889DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 683660DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 158504DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 186503DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 368085DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 823337DEST_PATH_IMAGE011
为第二指数常数；
步骤三、在有限元软件中建立子弹侵蚀金属平板的有限元模型，其中，子弹设置为刚形体模型，金属平板设置为采用带有本构参数的金属平板模型；
步骤四、将金属平板弹道极限预估速度
Figure 769166DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 335276DEST_PATH_IMAGE012
，进而根据有限元分析获取子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 636944DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤五、判断子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 325415DEST_PATH_IMAGE013
是否等于0，当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 446955DEST_PATH_IMAGE013
不等于0时，说明子弹穿透金属平板，执行步骤六；
当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 816756DEST_PATH_IMAGE013
等于0时，说明子弹未穿透金属平板，执行步骤七；
步骤六、子弹穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤601、根据公式
Figure 972931DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 583035DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 191871DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 99784DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 172782DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 140738DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 566033DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 277637DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 142825DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 343999DEST_PATH_IMAGE022
次有限元分析获取的子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度；
步骤602、将第
Figure 927427DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 442722DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 975465DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 285224DEST_PATH_IMAGE023
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 355948DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤604、根据公式
Figure 471672DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 311452DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 792112DEST_PATH_IMAGE027
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 350132DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤七、子弹未穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤701、根据公式
Figure 253235DEST_PATH_IMAGE029
，获取第
Figure 947521DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 864662DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 644399DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 101925DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 916297DEST_PATH_IMAGE031
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 738760DEST_PATH_IMAGE032
时，
Figure 5793DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 17743DEST_PATH_IMAGE034
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 686621DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 679985DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 434315DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 233643DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 757029DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤704、根据公式
Figure 186873DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 740083DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 15206DEST_PATH_IMAGE037
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 658677DEST_PATH_IMAGE038
。
上述的一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于：步骤二中，子弹半径
Figure 993844DEST_PATH_IMAGE039
，其中，
Figure 785082DEST_PATH_IMAGE040
为子弹的质量。
上述的一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于：所述子弹输入速度增长步长
Figure 863897DEST_PATH_IMAGE041
为1m/s至3m/s。
本发明的有益效果是，方法步骤简单，基于力学性能试验为有限元仿真分析提供金属平板的本构参数，根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，得到金属平板弹道极限速度的大致范围，为有限元仿真分析初速度输入提供了精准的参考，避免了有限元仿真分析初始计算速度输入与金属平板实际弹道极限速度相差较大，缩小了有限元仿真分析的次数，大大减少了计算时所消耗的时间，快速准确地对金属平板的弹道极限速度进行有效预测，节省了大量的人力与物力资源，降低成本，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，包括以下步骤：
步骤一、根据子弹与金属平板材料的力学性能试验获得金属平板的本构参数，所述金属平板的本构参数包括金属平板的屈服强度、应力应变曲线和应变率温度曲线；
步骤二、根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，其中，子弹侵彻金属平板试验过程中，子弹运动轨迹认为是直线运动，子弹视为球形刚形体子弹；
根据经验公式
Figure 361874DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 133521DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 897209DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 779714DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 132198DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 74746DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 574998DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 995615DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 468184DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 893218DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 818449DEST_PATH_IMAGE011
为第二指数常数；
步骤三、在有限元软件中建立子弹侵蚀金属平板的有限元模型，其中，子弹设置为刚形体模型，金属平板设置为采用带有本构参数的金属平板模型；
步骤四、将金属平板弹道极限预估速度
Figure 42757DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 166571DEST_PATH_IMAGE012
，进而根据有限元分析获取子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 450922DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤五、判断子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 863448DEST_PATH_IMAGE013
是否等于0，当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 704497DEST_PATH_IMAGE013
不等于0时，说明子弹穿透金属平板，执行步骤六；
当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 886079DEST_PATH_IMAGE013
等于0时，说明子弹未穿透金属平板，执行步骤七；
步骤六、子弹穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤601、根据公式
Figure 75752DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 975575DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 604002DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 905671DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 266245DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 970808DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 340609DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 231205DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 28260DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 699412DEST_PATH_IMAGE022
次有限元分析获取的子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度；
步骤602、将第
Figure 872905DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 883586DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 851542DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 760723DEST_PATH_IMAGE023
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 472327DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤604、根据公式
Figure 337515DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 538689DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 122118DEST_PATH_IMAGE027
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 371833DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤七、子弹未穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤701、根据公式
Figure 357107DEST_PATH_IMAGE029
，获取第
Figure 978450DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 49174DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 102581DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 4678DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 485338DEST_PATH_IMAGE031
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 777779DEST_PATH_IMAGE032
时，
Figure 447926DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 142212DEST_PATH_IMAGE034
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 793773DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 839090DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 296616DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 845409DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 933451DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤704、根据公式
Figure 512068DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 710968DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 114268DEST_PATH_IMAGE037
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 435528DEST_PATH_IMAGE038
。
本实施例中，步骤二中，子弹半径
Figure 189857DEST_PATH_IMAGE039
，其中，
Figure 926869DEST_PATH_IMAGE040
为子弹的质量。
本实施例中，所述子弹输入速度增长步长
Figure 263304DEST_PATH_IMAGE041
为1m/s至3m/s。
本发明使用时，基于力学性能试验为有限元仿真分析提供金属平板的本构参数，根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，得到金属平板弹道极限速度的大致范围，为有限元仿真分析初速度输入提供了精准的参考，避免了有限元仿真分析初始计算速度输入与金属平板实际弹道极限速度相差较大，缩小了有限元仿真分析的次数，大大减少了计算时所消耗的时间，快速准确地对金属平板的弹道极限速度进行有效预测，节省了大量的人力与物力资源，降低成本，实际调节中，根据公式
Figure 693148DEST_PATH_IMAGE042
，获取初次子弹恰好穿透金属平板的能量消耗值
Figure 669194DEST_PATH_IMAGE043
，给第1次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 272214DEST_PATH_IMAGE044
提供了计算依据，并为后续的有限元分析中子弹的输入速度的调节提供了有效参考，该方法适用性较广，实际操作简单，可满足作战毁伤快速设计和优化需求，缩短设计周期，大大减少了仿真分析所需的时间与计算成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据子弹与金属平板材料的力学性能试验获得金属平板的本构参数，所述金属平板的本构参数包括金属平板的屈服强度、应力应变曲线和应变率温度曲线；
步骤二、根据子弹侵彻金属平板试验和经验公式推算金属平板弹道极限预估速度，其中，子弹侵彻金属平板试验过程中，子弹运动轨迹认为是直线运动，子弹视为球形刚形体子弹；
根据经验公式
Figure 188606DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 216604DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 460504DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 915756DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 815579DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 381690DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 230828DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 856981DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 978521DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 348323DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 566814DEST_PATH_IMAGE011
为第二指数常数；
步骤三、在有限元软件中建立子弹侵蚀金属平板的有限元模型，其中，子弹设置为刚形体模型，金属平板设置为采用带有本构参数的金属平板模型；
步骤四、将金属平板弹道极限预估速度
Figure 363869DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 972705DEST_PATH_IMAGE012
，进而根据有限元分析获取子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 880618DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤五、判断子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 891299DEST_PATH_IMAGE013
是否等于0，当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 170840DEST_PATH_IMAGE013
不等于0时，说明子弹穿透金属平板，执行步骤六；
当子弹侵蚀金属平板后的初次子弹剩余速度
Figure 266972DEST_PATH_IMAGE013
等于0时，说明子弹未穿透金属平板，执行步骤七；
步骤六、子弹穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤601、根据公式
Figure 978576DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 171660DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 310517DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 628366DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 143661DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 941984DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 251742DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 56887DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 110294DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 12391DEST_PATH_IMAGE022
次有限元分析获取的子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度；
步骤602、将第
Figure 493051DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 51071DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 642590DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 919899DEST_PATH_IMAGE023
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 571460DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤604、根据公式
Figure 351198DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 746407DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 623096DEST_PATH_IMAGE027
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 445558DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤七、子弹未穿透金属平板下的金属平板弹道结构极限速度计算，过程如下：
步骤701、根据公式
Figure 712592DEST_PATH_IMAGE029
，获取第
Figure 911492DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 393420DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 386784DEST_PATH_IMAGE017
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数编号且
Figure 141113DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 143704DEST_PATH_IMAGE031
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 729406DEST_PATH_IMAGE032
时，
Figure 893671DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 135297DEST_PATH_IMAGE034
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 676000DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 365476DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 966221DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 429564DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 773957DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤704、根据公式
Figure 68673DEST_PATH_IMAGE025
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 840320DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 790958DEST_PATH_IMAGE037
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 673463DEST_PATH_IMAGE038
。
2.按照权利要求1所述的一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于：步骤二中，子弹半径
Figure 838997DEST_PATH_IMAGE039
，其中，
Figure 781545DEST_PATH_IMAGE040
为子弹的质量。
3.按照权利要求1所述的一种飞机机身金属平板弹道结构极限速度计算方法，其特征在于：所述子弹输入速度增长步长
Figure 219479DEST_PATH_IMAGE041
为1m/s至3m/s。
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