CN115859736A - 一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法。包括如下步骤：利用LS‑DYNA软件，采用FEM网格和SPH粒子相结合的方法建立有限元模型，弹丸和陶瓷面板全部采用SPH粒子代替拉格朗日网格，复合背板材料离散为厚度0.5mm的单层拉格朗日实体单元，通过层与层之间的固接失效接触ASTST算法模拟粘接层的作用；弹丸SPH粒子与复合材料之间以及碳化硼陶瓷与复合材料之间均采用点面侵蚀接触ENTS，模型整体考虑SINGLE_SURFACE接触。本发明充分考虑了脆性材料冲击断裂的问题以及常规的FEM网格法只能通过删除网格以模拟断裂过程的问题，可以有效模拟弹芯和陶瓷碎裂现象，有效模拟复合背板层的脱粘现象，减少SPH粒子和有限元网格耦合的计算量，显著提高仿真模型的计算精度和计算效率。
Description
技术领域
本发明属于装甲防护仿真领域，具体涉及一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法。
背景技术
随着社会经济的高速发展，反装甲武器破坏能力的不断提高，装甲的防护能力需进一步提升，目前常规的解决方案是增加装甲防护厚度，这就导致装备重量的增加和机动性的降低。而装备的机动性能和综合防护性能是武器系统发挥有效作用的基础和前提。装备对机动及综合防护性能要求越来越严格，这就要求现代装甲具有轻质、高效、高可靠性，以满足轻量化和高生存能力等要求。选用陶瓷基复合材料为代表的复合材料具有质量轻，比强度和比模量高，可设计性强等一系列优点，是实现装甲轻量化的重要途径，其中抗弹陶瓷由于密度低、硬度高、抗弹性能好等优点是现代轻质复合装甲的核心材料，越来越受到装甲军事领域的广泛关注。
碳化硼陶瓷作为一种先进的高技术材料，具有面密度小、吸能效果好，防护系数高等优点，因此，广泛应用在战斗机防护领域。目前对于均质装甲的侵彻和损伤机理的研究在国内外已经发展成熟，但由于陶瓷材料的易脆性和陶瓷复合装甲结构和材料的复杂性使陶瓷复合装甲的数值模拟存在诸多问题，如何有效模拟弹芯和陶瓷碎裂现象，如何减少SPH粒子和有限元网格耦合的计算量，如何提高仿真模型的计算精度和计算效率等问题成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法，目的在于针对现有陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟存在的难以模拟弹芯和陶瓷碎裂，计算精度和计算效率不高的缺点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法，陶瓷复合装甲包括碳化硼陶瓷层，和由碳纳米层、石墨烯层和高强度玻璃纤维层组成的复合背板，所述模拟方法包括如下步骤：
步骤(1)：在SOLIWORKS中建立四分之一弹丸的几何模型，并导出IGS文件；
步骤(2)：将弹丸IGS文件导入LS-DYNA软件中，对靶板的陶瓷层进行SPH法建模，对靶板的碳纳米层、石墨烯层、高强度玻璃纤维层分别进行拉格朗日建模；
步骤(3)：将陶瓷层与碳纳米层进行*CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE粘接，纳米层与石墨烯层及高强度玻璃纤维层进行*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE粘接；
步骤(4)：将弹丸与复合背板通过*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE进行接触定义，弹丸与陶瓷层无需定义接触；
步骤(5)：依次定义复合背板和陶瓷层的对称约束和边界约束,设置弹丸的初始入射速度；
步骤(6)：弹芯材料采用Johnson-Cook本构模型和失效模型来描述弹芯材料在动态载荷作用下的材料响应；碳化硼陶瓷采用JH-2本构模型来描述未损伤陶瓷强度和损伤陶瓷强度；
步骤(7)：复合背板材料采用Composite-Damage材料模型和Chang-Chang失效准则的增强带损伤复合背板材料模型来描述纤维受拉伸和受压缩时产生的不同失效形式。
进一步的，穿甲燃烧弹的有限元模型只考虑弹芯SPH粒子，在弹芯的有限元模型中，弹芯采用solid164实体单元划分为3212个单元，单元尺寸为1mm×1mm×1mm，弹芯SPH粒子总数为4200，粒子间距均为1mm×1mm×1mm。
进一步的，在建立陶瓷复合装甲板的有限元模型过程中，碳化硼陶瓷层采用离散为SPH粒子的方式，SPH粒子间距均为1mm×1mm×1mm，碳化硼陶瓷层SPH粒子总数为362900。
进一步的，将碳纳米层、石墨烯层、高强度玻璃纤维层三种复合材料离散为厚度0.5±0.2mm的单层拉格朗日实体单元，通过层与层之间的固接失效接触模拟粘接层的作用。
进一步的，复合背板采用solid164实体单元划分有限的单元，单层厚度为0.5±0.2mm，单元尺寸为0.5mm×2mm×2mm。
进一步的，对复合背板有限元模型以弹着点为中心的50mm×50m区域网格进行加密处理，单元尺寸为0.5mm×0.5mm×0.5mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
该典型陶瓷复合装甲弹丸和碳化硼陶瓷面板全部采用SPH粒子代替传统的拉格朗日网格，可以有效模拟弹芯和陶瓷碎裂现象，减少SPH粒子和有限元网格耦合的计算量；
不同复合材料单元之间采用自动面面固接失效接触ASTST算法以模拟粘接层作用，可以有效模拟复合背板层的脱粘现象；
复合背面考虑实际夹持条件，对各层单元采用简支约束，支架近似为刚体，有效模拟了陶瓷复合装甲板的夹持条件；
本数值模拟方法显著提高仿真模型的计算精度和计算效率，对弹丸侵彻陶瓷复合装甲的研究具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的陶瓷复合装甲结构示意图；
图2为本发明的弹丸结构示意图；
图3为本发明的弹丸有限元模型图；
图4为本发明的陶瓷层有限元网格图；
图5为本发明的碳纳米层有限元网格图；
图6为本发明的石墨烯层有限元网格图；
图7为本发明的高强玻璃纤维层有限元网格图；
图8为本发明的陶瓷复合装甲有限元模型侧视图；
图9为本发明的陶瓷复合装甲有限元模型立体图；
图10为本发明的侵彻破坏图；
图11为本发明的等效应力云图。
具体实施方式
为使本发明的目的、操作流程、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例公开了一种典型碳化硼陶瓷复合装甲，如图1所示。碳化硼陶瓷复合装甲包括碳化硼陶瓷层、碳纳米层、石墨烯层、高强度玻璃纤维层组成，各层之间是采用环氧树脂黏结剂进行粘接。陶瓷复合装甲板的面板尺寸为300mm×300mm，平均靶板的厚度为28mm，平均靶板的质量为5.3kg，平均靶板的总面密度为59.11kg·m-2。
本发明实施例采用的弹种为54式12.7mm穿甲燃烧弹，如图2所示。弹头主要由卵形钢芯、披甲和燃烧剂构成。弹头直径为12.7mm，重量为48g，全长31.4mm，弹芯直径为10.4mm，披甲的厚度约为1mm。弹芯材料为T12A工具钢，披甲材料为黄铜。
在建立弹体的有限元模型过程中，由于在侵彻过程中主要考虑弹芯的动能作用，燃烧剂可以忽略不计，而披甲发挥作用主要是在膛内运动阶段，对侵彻的影响很小。因此，为了简化计算，穿甲燃烧弹的有限元模型只考虑弹芯SPH粒子。在弹芯的有限元模型中，弹芯采用solid164实体单元划分为3212个单元，单元尺寸为1mm×1mm×1mm，弹芯SPH粒子总数为4200，粒子间距均为1mm×1mm×1mm，如图3所示。
在建立陶瓷复合装甲板的有限元模型过程中，陶瓷面板采用离散为SPH粒子的方式，SPH粒子间距均为1mm×1mm×1mm，陶瓷面板SPH粒子总数为362900，如图4所示。复合背板实际铺层情况较为复杂，将碳纳米板、石墨烯板、高强度玻璃纤维板三种复合材料离散为厚度0.5mm的单层拉格朗日实体单元，通过层与层之间的固接失效接触模拟粘接层的作用。复合背板采用solid164实体单元划分有限的单元，单层厚度为0.5mm，单元尺寸为0.5mm×2mm×2mm，为了提高计算精度和避免负体积等数值计算过程中的网格畸变问题，对复合背板有限元模型以弹着点为中心的50mm×50m区域网格进行了加密处理，单元尺寸为0.5mm×0.5mm×0.5mm，如图5，图6，图7所示。同样，在弹体头部接触靶板的位置，网格也进行了加密处理。
考虑到中心入射问题的对称性，建立1/4尺寸模型以减小计算量。弹芯SPH粒子与复合材料之间以及碳化硼陶瓷与复合材料之间均采用点面侵蚀接触ENTS，不同复合材料单元之间采用自动面面固接失效接触ASTST算法以模拟粘接层作用，靶板与支架之间采用自动面面接触ASTS，模型整体考虑SINGLE_SURFACE接触，如图8，图9所示。
为了模拟陶瓷复合装甲板的夹持条件，复合背面考虑实际夹持条件，对各层单元采用简支约束，支架近似为刚体，外轮廓尺寸和陶瓷复合装甲板相同，为300mm×300mm，内轮廓为240mm×240mm。
弹芯材料采用Johnson-Cook本构模型和失效模型来描述弹芯材料在动态载荷作用下的材料响应；碳化硼陶瓷采用JH-2本构模型来描述未损伤陶瓷强度和损伤陶瓷强度。
复合材料采用Composite-Damage材料模型和Chang-Chang失效准则的增强带损伤复合材料模型来描述纤维受拉伸和受压缩时产生的不同失效形式。
如图10所示，给出了12.7mm穿甲弹垂直侵彻陶瓷复合装甲的整体破坏仿真现象，可以明显看到的弹芯和陶瓷碎裂现象，复合背板层与层之间的脱粘现象，显著提高仿真模型的计算精度和计算效率，对弹丸侵彻陶瓷复合装甲的研究具有重要意义。
如图11所示，给出了弹丸侵彻陶瓷复合装甲的等效应力云图，可以明显看出弹丸及陶瓷复合装甲的应力分布情况，对于弹丸侵彻陶瓷复合装甲机理研究具有重要作用。
Claims (6)
1.一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法，其特征在于，陶瓷复合装甲包括碳化硼陶瓷层，和由碳纳米层、石墨烯层和高强度玻璃纤维层组成的复合背板，所述模拟方法包括如下步骤：
步骤(1)：在SOLIWORKS中建立四分之一弹丸的几何模型，并导出IGS文件；
步骤(2)：将弹丸IGS文件导入LS-DYNA软件中，对靶板的陶瓷层进行SPH法建模，对靶板的碳纳米层、石墨烯层、高强度玻璃纤维层分别进行拉格朗日建模；
步骤(3)：将陶瓷层与碳纳米层进行*CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE粘接，纳米层与石墨烯层及高强度玻璃纤维层进行*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE粘接；
步骤(4)：将弹丸与复合背板通过*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE进行接触定义，弹丸与陶瓷层无需定义接触；
步骤(5)：依次定义复合背板和陶瓷层的对称约束和边界约束,设置弹丸的初始入射速度；
步骤(6)：弹芯材料采用Johnson-Cook本构模型和失效模型来描述弹芯材料在动态载荷作用下的材料响应；碳化硼陶瓷采用JH-2本构模型来描述未损伤陶瓷强度和损伤陶瓷强度；
步骤(7)：复合背板材料采用Composite-Damage材料模型和Chang-Chang失效准则的增强带损伤复合背板材料模型来描述纤维受拉伸和受压缩时产生的不同失效形式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，穿甲燃烧弹的有限元模型只考虑弹芯SPH粒子，在弹芯的有限元模型中，弹芯采用solid164实体单元划分为3212个单元，单元尺寸为1mm×1mm×1mm，弹芯SPH粒子总数为4200，粒子间距均为1mm×1mm×1mm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在建立陶瓷复合装甲板的有限元模型过程中，碳化硼陶瓷层采用离散为SPH粒子的方式，SPH粒子间距均为1mm×1mm×1mm，碳化硼陶瓷层SPH粒子总数为362900。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将碳纳米层、石墨烯层、高强度玻璃纤维层三种复合材料离散为厚度0.5±0.2mm的单层拉格朗日实体单元，通过层与层之间的固接失效接触模拟粘接层的作用。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，复合背板采用solid164实体单元划分有限的单元，单层厚度为0.5±0.2mm，单元尺寸为0.5mm×2mm×2mm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对复合背板有限元模型以弹着点为中心的50mm×50m区域网格进行加密处理，单元尺寸为0.5mm×0.5mm×0.5mm。
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| CN202211674820.XA CN115859736A (zh) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | 一种陶瓷复合装甲抗侵彻数值模拟方法 |
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| CN (1) | CN115859736A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116204992A (zh) * | 2023-05-05 | 2023-06-02 | 北京航空航天大学 | 一种直升机复合装甲抗侵彻fem-sph耦合分析方法 |
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2022
- 2022-12-26 CN CN202211674820.XA patent/CN115859736A/zh active Pending
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