CN114861508B - 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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CN114861508B CN202210788839.0A CN202210788839A CN114861508B CN 114861508 B CN114861508 B CN 114861508B CN 202210788839 A CN202210788839 A CN 202210788839A CN 114861508 B CN114861508 B CN 114861508B
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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 522763DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 786123DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 993113DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 106563DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 94111DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 318419DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 645495DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 211736DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 624263DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 652262DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 833845DEST_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 289097DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 251236DEST_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 817347DEST_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 119015DEST_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 745169DEST_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 912714DEST_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 282515DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 438690DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 235745DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 906898DEST_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 814811DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 825492DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 793448DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 968209DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 679813DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 545000DEST_PATH_IMAGE023
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 683858DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 267286DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 579319DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 299013DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 608771DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤604、根据公式
Figure 679496DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 310066DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 149846DEST_PATH_IMAGE028
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 630506DEST_PATH_IMAGE029
；
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 188526DEST_PATH_IMAGE030
，获取第
Figure 842361DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 536648DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 453788DEST_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 233526DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 176205DEST_PATH_IMAGE032
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 990577DEST_PATH_IMAGE033
时，
Figure 813040DEST_PATH_IMAGE034
为第
Figure 80073DEST_PATH_IMAGE035
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 278973DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 275748DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 269112DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 23441DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 760453DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤704、根据公式
Figure 329843DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 759688DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 1313DEST_PATH_IMAGE038
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 276437DEST_PATH_IMAGE039
。
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 982225DEST_PATH_IMAGE040
，其中，
Figure 317391DEST_PATH_IMAGE041
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 46313DEST_PATH_IMAGE042
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 125127DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 701733DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 473380DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 424018DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 306524DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 455745DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 398294DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 836228DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 256845DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 306579DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 420028DEST_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 345259DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 569567DEST_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 693381DEST_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 977731DEST_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 390258DEST_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 418257DEST_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 599840DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 336983DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 236805DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 802916DEST_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 104584DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 793055DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 180174DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 549975DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 440571DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 283631DEST_PATH_IMAGE023
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 892467DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 65959DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 76640DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 44596DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 203045DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤604、根据公式
Figure 914649DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 779837DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 918694DEST_PATH_IMAGE028
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 580751DEST_PATH_IMAGE029
；
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 830467DEST_PATH_IMAGE030
，获取第
Figure 815740DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 125499DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 992961DEST_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 46367DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 886147DEST_PATH_IMAGE032
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 366807DEST_PATH_IMAGE033
时，
Figure 236412DEST_PATH_IMAGE034
为第
Figure 93510DEST_PATH_IMAGE035
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 787796DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 439357DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 484674DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 942200DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 490993DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤704、根据公式
Figure 579035DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 846068DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 592438DEST_PATH_IMAGE038
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 995738DEST_PATH_IMAGE039
。
本实施例中，步骤二中，子弹半径
Figure 254681DEST_PATH_IMAGE040
，其中，
Figure 9010DEST_PATH_IMAGE041
为子弹的质量。
本实施例中，所述子弹输入速度增长步长
Figure 73918DEST_PATH_IMAGE042
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 597303DEST_PATH_IMAGE043
，获取初次子弹恰好穿透金属平板的能量消耗值
Figure 27148DEST_PATH_IMAGE044
，给第1次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 3194DEST_PATH_IMAGE045
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 943636DEST_PATH_IMAGE001
，推算金属平板弹道极限预估速度
Figure 418479DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 446478DEST_PATH_IMAGE003
为子弹侵彻金属平板的直线长度，
Figure 628061DEST_PATH_IMAGE004
为子弹半径，
Figure 83313DEST_PATH_IMAGE005
为子弹侵彻金属平板的侵彻角度，
Figure 29141DEST_PATH_IMAGE006
为金属平板密度，
Figure 595252DEST_PATH_IMAGE007
为子弹密度，
Figure 631341DEST_PATH_IMAGE008
为靶金属平板强度，
Figure 257494DEST_PATH_IMAGE009
为系数常数，
Figure 441351DEST_PATH_IMAGE010
为第一指数常数，
Figure 811152DEST_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 967327DEST_PATH_IMAGE002
作为有限元分析中子弹的输入初速度
Figure 764382DEST_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 451846DEST_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 359759DEST_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 370441DEST_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 338397DEST_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 434529DEST_PATH_IMAGE014
，获取第
Figure 942870DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 73637DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 212495DEST_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 530344DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 622802DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 608076DEST_PATH_IMAGE020
为第
Figure 917834DEST_PATH_IMAGE021
次有限元分析中子弹的输入调节速度，
Figure 722979DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 838703DEST_PATH_IMAGE023
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 678483DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 159143DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 717163DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 856152DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤603、多次循环步骤601和步骤602，直至
Figure 816017DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤604、根据公式
Figure 467579DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 247316DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 970421DEST_PATH_IMAGE028
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 784793DEST_PATH_IMAGE029
；
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 607256DEST_PATH_IMAGE030
，获取第
Figure 874289DEST_PATH_IMAGE015
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 73189DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 788073DEST_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 781437DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 535766DEST_PATH_IMAGE032
为子弹输入速度增长步长；
当
Figure 538357DEST_PATH_IMAGE033
时，
Figure 124060DEST_PATH_IMAGE034
为第
Figure 288325DEST_PATH_IMAGE035
次有限元分析中子弹的输入调节速度；
步骤702、将第
Figure 529950DEST_PATH_IMAGE017
次有限元分析中子弹的输入调节速度
Figure 70653DEST_PATH_IMAGE016
输入有限元软件中，获取第
Figure 527173DEST_PATH_IMAGE017
次子弹侵蚀金属平板后的子弹剩余速度
Figure 127919DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤703、多次循环步骤701和步骤702，直至
Figure 591261DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤704、根据公式
Figure 935655DEST_PATH_IMAGE026
，计算金属平板实际弹道极限速度
Figure 964791DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 736438DEST_PATH_IMAGE038
为有限元分析中子弹的输入速度的调节次数总数，即
Figure 687076DEST_PATH_IMAGE039
。
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 569582DEST_PATH_IMAGE040
，其中，
Figure 922065DEST_PATH_IMAGE041
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 441777DEST_PATH_IMAGE042
为1m/s至3m/s。
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