Autodyn在《戰斗部結構與終點效應》教學中的應用

李翔宇　梁民族

摘要：在《戰斗部結構與終點效應》教學中引入了Autodyn軟件，并對破片形成過程及其影響因素進行仿真分析。結果表明，Autodyn能夠直觀地描述殼體膨脹、斷裂和破片加速運動等過程，解決了毀傷課程中實驗教學難以開展的難題。

關鍵詞：本科教學；戰斗部結構與終點效應；Autodyn軟件

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）34-0258-02

引言

《戰斗部結構與終點效應》是面向我校本科專業開設的一門專業課程[1]，希望通過課程學習使學員掌握戰斗部毀傷元素形成及其對目標毀傷機理。要求學員對爆破、破片、破甲和侵徹四種典型戰斗部結構、作用機理和毀傷效應有較全面的了解，掌握典型戰斗部的作用原理及終點毀傷效應的基本理論和知識。課程教學采取課堂講授、實物展示和實踐教學相結合，實踐教學主要通過虛擬實驗[2]和爆炸實驗來實現。由于爆炸實驗具有高危險性，考慮到危爆品運輸、學員安全防范、教學安全實施等因素，目前實踐中僅開設極少量的野外爆炸實驗。在這種情況下，如何再現戰斗部毀傷元形成過程以及對目標的毀傷機制，更形象地描述戰斗部毀傷目標的過程是實踐教學中亟待解決的主要問題，也是進一步提高課程教學質量的保障。

Autodyn軟件[3]是國際上模擬爆炸與沖擊波力學問題的常用軟件，采取Autodyn軟件進行虛擬實驗教學是提高教學質量比較理想的途徑。本文以破片戰斗部為例，介紹Autodyn軟件在《戰斗部結構與終點毀傷》教學中的應用。

一、Autodyn軟件簡介

Autodyn由美國Century Dynamics公司開發，從開發至今在國際軍工行業占據80%以上市場，主要應用方向為內外彈道學、成形裝藥設計、沖擊波形成與傳播、裝甲/反裝甲及沖擊引爆、空氣/水中/土中爆炸等。該軟件基于連續介質方程組，在給定材料模型、初始和邊界條件下，通過顯示積分和不同的求解技術來求解爆炸與沖擊動力學問題。求解器類型有Lagrange方法、Euler方法、ALE方法、SPH方法、Shell方法和Beam方法等。

Autodyn軟件通過在空間和時間上將方程組離散，將復雜的問題分解成有限的更小、更簡單的問題。該軟件分析問題的一般步驟包括：第1步設置求解類型和單位制，第2步定義材料和失效模型，第3步定義初始條件，第4步定義邊界條件，第5步建立模型，第6步模型相關設置，第7步穿甲、起爆設置，第8步求解與輸出，第9步計算與后處理。

二、利用Autodyn模擬自然破片形成過程

根據Autodyn軟件分析問題的一般步驟，建立2D面對稱模型。TNT炸藥為中心單點起爆，殼體上設定10個觀測點觀察速度變化。圖1給出了殼體破裂成自然破片形狀仿真結果，可以看出殼體隨機破裂成大小形狀不一致的破片，大部分破裂過程遵循內層剪切斷裂、外層拉伸斷裂失效模式。可以通過Autodyn軟件直觀地描述殼體膨脹、斷裂和破片加速運動等過程，解決了毀傷課程中實驗教學難易開展的難題。

三、破片初速影響因素

影響破片初速的因素很多，諸如炸藥類型、殼體材料和結構、起爆模式、裝藥工藝、材料熱處理工藝等等，本文主要考慮起爆模式和炸藥類型對破片初速的影響。

設定了四種起爆模式，即中心單點起爆（I）、偏心1點起爆（II）、偏心2點60°起爆（III）、偏心2點90°起爆（IV），起爆模式對破片初速的影響如圖2所示。可見偏心起爆由于改變了炸藥能量在圓周方向上的均勻分布，可以通過調整起爆點實現在某方向上破片能量增強。

通過改變戰斗部炸藥類型考察炸藥對殼體初速的影響，TNT、Comp.B和HMX三種炸藥驅動下破片初速結果如圖3所示。可以看到，三種炸藥驅動殼體運動的時程曲線規律相近，由于HMX炸藥的Gurney常數最大，驅動殼體運動獲得的初速最高。

四、結論

針對毀傷課程中實驗教學難以開展的難題，在《戰斗部結構與終點效應》課程教學中引入了Autodyn軟件。結果表明，Autodyn可以模擬戰斗部毀傷元的形成過程，能夠使學員加深對武器毀傷的理解，將軟件應用到課堂教學和課后訓練均能起到很好的教學效果。

參考文獻：

[1]盧芳云，李翔宇，林玉亮.戰斗部結構與原理[M].北京：科學出版社，2009.

[2]陳雷，高欣寶，閆軍，等.虛擬實驗在彈藥檢測技術課程教學中的應用研究[J].現代教育技術，2009，19（7）：130-131.

[3]Autodyn User Manual 2001[Z].Century Dynamics，Inc.