聚能切割索自動化仿真分析技術(shù)研究

肖林 鄧超

摘?要：隨著軍事技術(shù)發(fā)展，各國對低成本、高侵徹能力以及高安全性聚能切割索的需求日益迫切。本文利用LS-DYNA仿真軟件ALE算法，結(jié)合C++開發(fā)庫Qt框架實現(xiàn)了聚能切割索自動化仿真分析平臺的設(shè)計，經(jīng)過與大量試驗數(shù)據(jù)對比，仿真設(shè)計平臺的精度能夠滿足工程應用要求，為聚能切割索的研發(fā)提供了軟件平臺支撐。

關(guān)鍵詞：聚能切割索;自動化;仿真;ALE方法

引言

聚能切割索是一類在軍事領(lǐng)域用于線性結(jié)構(gòu)分離的裝置，隨著軍事技術(shù)發(fā)展，各國對低成本、高侵徹能力以及高安全性聚能切割索的需求日益迫切。聚能切割索的侵徹效果與聚能切割索、炸藥本身材料性能、切割索型面幾何參數(shù)、安裝條件以及切割對象的材料、幾何參數(shù)等密切相關(guān)，長期以來，國內(nèi)大多數(shù)切割索生產(chǎn)單位均采用試驗方法確定聚能切割索的設(shè)計狀態(tài)，此方式研制成本高、周期長，且得到的結(jié)果僅能作是否滿足標準要求的判定，無法給出設(shè)計狀態(tài)是否最優(yōu)的判定，設(shè)計模式相對落后。因此，有必要開展聚能切割索的仿真技術(shù)研究，為聚能切割索的設(shè)計提供軟件平臺支撐。

本文以聚能切割索為研究對象，采用ALE算法實現(xiàn)了聚能切割索侵徹靶板過程的仿真，并在仿真模型的基礎(chǔ)上開展參數(shù)化二次開發(fā)，研究出一套基于C++開發(fā)庫Qt框架的仿真設(shè)計平臺，經(jīng)過與大量試驗數(shù)據(jù)對比，仿真設(shè)計平臺的精度能夠滿足工程應用要求。

1仿真分析方法研究

1.1算法的選擇

聚能裝藥結(jié)構(gòu)起爆后在強大的爆轟壓力作用下形成聚能射流和杵體，射流速度達數(shù)千米每秒，具有很強的侵徹能力。由于射流侵徹過程涉及大變形、高應變率、高溫及高壓等十分復雜的物理過程，增加了采用實驗或測試方法進行研究的難度，而數(shù)值仿真則可以實現(xiàn)藥型罩的壓垮及射流侵徹鋼板的整個過程，對于詳細地研究該過程中的一些物理力學細節(jié)和機理提供了一種有效的研究方式。

Lagrange有限元方法在整個數(shù)值計算過程中，具有計算效率高的優(yōu)勢，但在計算大變形、多介質(zhì)問題時，會因網(wǎng)格節(jié)點運動導致網(wǎng)格大畸變或滑移面處理等問題，最終引起計算精度降低甚至計算終斷。Euler網(wǎng)格固定于模擬對象所在的空間上，模擬的對象是在網(wǎng)格單元上運動，所有的網(wǎng)格節(jié)點及網(wǎng)格單元不會隨著時間的改變而改變，能夠有效地避免網(wǎng)格畸變問題，但是該方法的邊界定義不夠精確，很難準確描述物質(zhì)運動界面。任意拉格朗日-歐拉方法具有Lagrange和Euler兩者方法的優(yōu)點，既能夠有效地跟蹤物質(zhì)運動界面，又可以處理大位移和大變形問題，使網(wǎng)格不會出現(xiàn)嚴重畸變[1]，故本文選用ALE方法進行仿真分析。

1.2仿真模型的構(gòu)建

本文選取線密度為6.0g/m的某銅切割索作為仿真對象，因射流及侵徹過程主要涉及到炸藥、藥型罩、空氣與靶板四個部分，具體模型如下。

1.2.1切割索型面參數(shù)的獲取

切割索的截面幾何參數(shù)是仿真模型的主要參數(shù)，本文采取截面投影方式獲取某典型銅切割索的截面幾何參數(shù)，如圖1所示。

1.2.2參數(shù)化模型的建立

根據(jù)獲取的截面參數(shù)，結(jié)合商業(yè)軟件ANSYS構(gòu)建了相應的參數(shù)化仿真模型，參數(shù)化模型采用了ANSYS內(nèi)置的APDL語言，然后將參數(shù)化模型導入到LS-DYNA中，具體參數(shù)化模型如圖2所示。本算例中聚能切割索模型與靶板的距離為0mm。

1.2.3材料本構(gòu)參數(shù)與狀態(tài)方程

聚能切割索主要由炸藥、藥型罩、空氣與靶板四個部分組成，其中炸藥材料為黑索今，采用高能燃燒模型以及JWL狀態(tài)方程加以描述[2]，材料參數(shù)如表1所示。

藥型罩材料為銅，采用JOHNSON_COOK模型以及Gruneisen狀態(tài)方程加以描述，材料參數(shù)如表2所示。

靶板材料為45號鋼，采用JOHNSON_COOK模型以及Gruneisen狀態(tài)方程加以描述，材料參數(shù)如表3所示。

射流與靶板之間的介質(zhì)為空氣，空氣材料采用MAT_NULL模型以及EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程加以描述，材料參數(shù)如表4所示。

1.2.4邊界條件的簡化

聚能切割索仿真模型如圖3所示，添加固定邊界條件BOUNDARY_SPC_SET，對所有節(jié)點的Z向位移和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動施加固定約束。在圖3所示的模型中，添加非反射邊界條件BOUNDARY_NON_REFLECTING，對空氣的周向各面施加相應的非反射約束。

1.3仿真分析結(jié)果

以炸藥底部中心為起爆點（圖4b所示），模擬聚能切割索在炸藥爆轟壓力作用下形成射流并侵徹靶板的過程，如圖4所示。起爆后，球形爆轟波首先到達藥型罩底部部分，在強爆轟壓力下，藥型罩底部逐漸開始向軸線方向閉合，進而導致外層形成高速射流。當高速射流與靶板發(fā)生接觸后，射流侵入靶板并在靶板上形成凹坑（圖5所示）。

選取靶板凹坑上的兩個特殊節(jié)點（圖5中編號為17656、11209的節(jié)點），查看各節(jié)點的Y坐標位置-時間曲線，如圖6所示，坐標位置單位為cm。從圖中可以得出，最終凹坑深度為H=（0.529-0.392）cm=1.37mm。

1.4試驗對比

對圖2所示的聚能切割索進行了實物侵徹鋼板試驗。聚能切割索裝藥為黑索今，裝藥線密度為6.0g/m，靶板材料為45#鋼（未淬火鋼板），通過將聚能切割索與靶板安裝成一定夾角的方式控制炸高范圍為（0～4）mm，試驗件安裝狀態(tài)如圖7所示。

使用5根切割索進行試驗，試驗結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)分別如表5所示。

1.5試驗-仿真結(jié)果初步對比

從表5的試驗數(shù)據(jù)可以看到，在0mm炸高條件下，5根聚能切割索侵徹靶板（45#鋼板）的深度分別為1.53mm、1.3mm、1.31mm、1.25mm、1.35mm，與仿真結(jié)果1.37mm相比較偏差分別為10.46%、5.38%、4.58%、9.60%、1.48%。對比結(jié)果表明，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果較為一致，可以認為仿真分析結(jié)果滿足要求。

2自動化仿真分析平臺設(shè)計

2.1軟件總體框架

仿真平臺主要由用戶輸入模塊、內(nèi)置處理模塊、結(jié)果后處理模塊三部分組成。切割索仿真設(shè)計平臺總體框架如圖9所示。

2.2軟件界面設(shè)計

軟件界面由用戶輸入模塊呈現(xiàn)，用戶輸入模塊主要由初始界面（圖10）、切割索參數(shù)（圖11）與靶板參數(shù)（圖12）三個主要部分組成。在初始界面下，用戶可以通過全局參數(shù)輸入?yún)^(qū)鍵入需要開展分析的主要參數(shù);完成參數(shù)設(shè)置后，可以通過操作區(qū)的各項功能按鈕進行操作，也可以通過菜單欄實現(xiàn)同樣的操作;消息區(qū)則顯示操作過程相關(guān)信息。

2.3試驗-仿真結(jié)果對比情況

在聚能切割索仿真設(shè)計平臺下，按表5中的炸高值設(shè)置參數(shù)，并將仿真計算得到的侵徹深度結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如表6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，僅有少部分試驗結(jié)果與仿真結(jié)果偏差較大（偏差超過10%），大部分試驗結(jié)果與仿真計算值十分接近，整體平均誤差為5.10%。

2.4小結(jié)

以裝藥線密度為（6.0±0.3）g/m的某典型聚能切割索為例，結(jié)合仿真設(shè)計平臺，通過調(diào)整切割索炸高參數(shù)探究了仿真設(shè)計平臺的適用性與精確性。經(jīng)大量試驗-仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比分析可以看出，仿真平臺分析結(jié)果整體平均誤差在5%左右，能夠滿足工程應用需求。

3總結(jié)

聚能切割索是一類線性結(jié)構(gòu)分離的裝置，其特點是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的高壓擠壓金屬藥罩形成射流，完成對預定對象的毀傷功能，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應用。本文利用仿真和試驗相結(jié)合的方法，對聚能切割索侵徹靶板過程的仿真技術(shù)進行了的研究，在研究成果的基礎(chǔ)上開發(fā)了相應的仿真設(shè)計平臺，并采用正交試驗的方法系統(tǒng)地分析了藥型罩部分幾何參數(shù)對切割索工作性能的影響。經(jīng)過多項試驗與仿真結(jié)果對比表明，項目實現(xiàn)了聚能切割索侵徹靶板過程的仿真技術(shù)研究，仿真分析精度能夠滿足基本分析要求，可以為聚能切割索的研發(fā)提供重要的軟件平臺支撐。

參考文獻

[1]?康德，嚴平等.基于LS-DYNA的高速破片水中運動特性流固耦合數(shù)值模擬.海軍工程大學兵器工程系，2014年

[2]?楊秀敏.爆炸沖擊現(xiàn)象數(shù)值模擬.中國科學技術(shù)大學出版社，2010年.

[3]?李磊.基于正交試驗法的多面聚能效應的數(shù)值模擬與應用研究[D].中國科學技術(shù)大學.2013，3.

[4]?王澤鵬，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS13.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社.2011，9.

[5]?John O. Hallquist. Ls-Dyna Theoretical Manual. Livemore Software Technology Corporation. May，1998.

作者簡介：肖林，男，湖南臨澧，1989.09，碩士研究生，工程師，海裝駐成都地區(qū)第四軍事代表室，研究方向：火工品。