動能彈對金屬靶板侵徹的數值模擬分析

■楊博瀚 井 晶 申海峰 宗冬冬

高速彈丸對結構的侵徹問題一直受到軍事部門的關注，數值模擬因其經濟性和高效性日益成為侵徹問題的重要研究手段，可以節省試驗的巨大投入，描述和動態顯示問題的整個過程。文章將簡約介紹顯式分析程序ANSYS/LS-DYNA，并利用其程序軟件進行侵徹問題的具體實現方法。

一、ANSYS/LS-DYNA軟件簡介

ANSYS軟件是國際著名的大型結構分析FEA程序，作為融結構、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，ANSYS對于求解熱-結構耦合、磁-結構耦合以及電-磁-流體-熱耦合等多物理場耦合問題具有其他軟件不可比的優勢。LS-DYNA作為顯式瞬態動力分析的權威軟件，是LSTC公司的核心產品。1997年ANSYS公司為彌補自身在非線性領域的不足，與LSTC公司攜手合作。ANSYS公司開發的針對LS-DYNA的前后處理器，秉承了ANSYS的傳統，熟悉ANSYS的用戶用起來比較熟悉，特別是可以用APDL編寫命令流，同時大大加強了LS-DYNA的前后處理功能和通用性一個完整的ANSYS/LS-DYNA顯式動力分析過程包括前處理、求解以及后處理三個基本操作環節：

1、前處理——建立分析模型

指定分析所用的單元類型并定義實常數（如梁單元的截面積），指定材料模型，建立幾何模型，進行網格劃分，形成有限單元模型，定義與分析有關的接觸信息、邊界條件與載荷等，利用ANSYS的前處理器PREP7完成。

2、分析選項設置及求解

制定分析的結束時間以及各種求解控制參數，形成關鍵字（LS-DYNA計算程序的數據輸入文件），遞交LS-DYNA970求解器進行計算。

3、結果后處理與分析

對計算的結果數據進行可視化處理和相關分析，可以利用ANSYS的通用后處理器POST1和時間歷程后處理器POST26完成，必要時也可調用LS-POST后處理器程序進行結果后處理。

二、ANSYS/LS-DYNA模擬侵徹問題的一般方法

侵徹問題屬于高速沖擊動力學的研究范疇，其過程具有高速、高溫、高壓等基本特征。因為加載速率高、變形和速度大、接觸物體間的侵徹貫入作用，在高速碰撞過程中材料內呈現明顯的應變率及絕熱溫升效應，甚至發生相變。

利用ANSYS/LS-DYNA模擬侵徹問題時，可采用Lagrange方法，也可采用ALE方法，對于彈丸垂直入射靶板的問題，可考慮建立軸對稱的分析模型，進行簡化分析。

侵徹問題的分析對網格的劃分有較高的要求，網格的劃分方案、形態及粗密程度都將對分析結果產生明顯的影響，在一般情況下，分析侵徹過程是網格的劃分應當注意如下問題：

（1）由于侵徹問題的高壓和大變形效應具有局部性，即僅限于彈丸與靶板接觸位置附近的區域內，因此劃分單元時有必要對這一區域采用較密的網格，在接觸位置一定距離的遠處則可以采用相對較粗的網格劃分。

（2）為了實現上述網格劃分方案，有必要對靶板進行體積切分，然后分塊指定其網格劃分的線段等分數。

（3）網格劃分易盡量采用映射劃分法，對兩維分析劃分為四邊形單元，對三維分析劃分為六面體單元。

由于侵徹問題屬于大變形、高壓和高應變率的問題，因此對這類問題的數值模擬，采用合理材料分析模型是重要的前提條件。在ANSYS/LS-DYNA中帶有斷裂失效的Johnson-Cook塑性材料模型，可用來建立侵徹問題的分析模型。由于碰撞過程很短暫，而把它作為絕熱過程看待，并以六面體單元動態的模擬碰撞沖擊過程。此外，由于高速碰撞發生，在材料內部產生沖擊波，這種沖擊波在材料內部形成壓力、密度、能量和質點加速度的間斷點，使微分方程產生奇異點。因此，需要在計算中引入人工體積粘性來修正靜水壓力項。加入人工體積粘性項，可使得沖擊波的強間斷平化為在相當窄的區域內急劇變化但卻是連續變化的情況。相應的選項設置可在ANSYS/LSDYNA中，通過菜單項MainMenu>Solution>AnalysisOption>BulkViscosity來調用。

三、數值模擬結果分析

（一）問題描述

一個頭部為半球形的圓柱金屬彈丸，半徑為1.3cm，長度3.9cm。金屬靶板尺寸均為100cm×100cm×0.6cm,靶板之間平行，相距3cm。彈丸以1300m／s的速度垂直撞擊金屬靶板中心，彈丸和靶板材料均為鋼，試計算彈丸貫穿靶板的變形過程并分析彈丸和靶板的破壞形態。

這是典型的侵徹碰撞問題，彈丸初始速度較高，屬于高速撞擊范圍。彈丸尺寸與靶板尺寸相比要小得多，靶板遠端受到彈丸的作用很小，可以認為靶板是無限域。這種情況下，靶板可視為軸對稱體，由于彈丸也為軸對稱體，因此整個模型可以簡化為軸對稱問題。

（二）二維數值模擬結果

計算模型使用拉格朗日網格，用二維實體solid162單元進行劃分，采用軸對稱算法，對稱軸為Y軸。彈丸和靶板之間的接觸采用 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法，在靶板邊界處施加二維投射邊界，采用cm-g-μs建模。計算機數值模擬建模、計算和受力分析圖如下：

四、結語

數值模擬作為研究侵徹問題的一種手段，特別是ANSYS/LS-DYNA軟件的科學應用，完善和補充了理論分析法和實物實驗法的不足之處，有力地推動了侵徹問題的研究。掌握好ANSYS/LS-DYNA軟件的應用，在理解各種常用操作的含義和實現手段后，通過大量的典型事例練習可以提高動手能力，在實例學習的同時，操作技巧、實際計算能力得到了同步提高。

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