以ANSYS/LS-DYNA為平臺的高速彈頭侵徹防彈衣的仿真研究

徐 偉， 伍維根 ，繆志農(nóng) ，謝永春

1.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039

2.攀枝花學(xué)院，四川攀枝花 617000

以ANSYS/LS-DYNA為平臺的高速彈頭侵徹防彈衣的仿真研究

徐 偉1， 伍維根2，繆志農(nóng)2，謝永春2

1.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039

2.攀枝花學(xué)院，四川攀枝花 617000

本文介紹了彈頭侵徹防彈衣的基本原理，以有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA為平臺對子彈彈頭撞擊以超高分子量聚乙烯纖維（簡稱UHMWPEF）為材料的防彈衣的過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，分析在侵徹瞬間100毫秒內(nèi)彈頭和防彈衣的變形與穿透情況，在后處理器LS-PREPOST中得出彈頭與防彈衣材料的應(yīng)變圖與相關(guān)節(jié)點(diǎn)的速度時(shí)間曲線和加速度時(shí)間曲線，為優(yōu)化子彈彈頭與防彈衣的設(shè)計(jì)提供必要的參數(shù)數(shù)據(jù)。

有限元分析；侵徹；彈頭；防彈衣；應(yīng)變；ANSYS/LS-DYNA；仿真

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對于單兵防彈衣的需求日益加大，隨著軍工和材料行業(yè)的飛速發(fā)展，防彈衣的新材料也成出不窮，超高分子量聚乙烯纖維（簡稱UHMWPE），是世界上最堅(jiān)韌的纖維且具有很高的彈性模量，是目前世界上最為先進(jìn)的防彈衣材料之一。

高速彈頭侵徹問題是軍工領(lǐng)域研究的熱門課題，對優(yōu)化武器攻擊力和防護(hù)體的防護(hù)能力都有重要意義。本文利用ANSYS/LSDYNA對北約7.62mm狙擊步槍7.62×51mm型子彈近距離（7m）射擊UHMWPE防彈衣的過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到了較好的分析結(jié)果。

1 侵徹理論分析

侵徹問題屬沖擊動力學(xué)問題涉及到材料非線性，集合非線性，和邊界條件非線性，本文采用lagrange算法求解。在拉格朗日算法中，計(jì)算網(wǎng)格固定在物質(zhì)上隨物質(zhì)一起變形。網(wǎng)格點(diǎn)與物質(zhì)點(diǎn)在物質(zhì)變形過程中始終保持重合，物質(zhì)點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)不存在相對遷移或?qū)α鬟\(yùn)動，這大大簡化了控制方程的求解。彈頭與防彈衣材料的本構(gòu)方程需要材料的行為的時(shí)間歷史，該算法能夠很好的處理這個(gè)問題[4]。

2 侵徹過程的有限元分析

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

步槍彈頭的被甲材料為銅，彈頭使用鋼鉛復(fù)合彈芯，彈頭為實(shí)心型彈頭，防彈衣材料為UHMWPEF，為簡化分析彈頭和防彈衣材料均視為雙線性彈性塑性帶應(yīng)變失效的材料本構(gòu)模型。數(shù)據(jù)如表格1：

表1 彈頭與防彈衣材料物理屬性

該侵徹問題為三維實(shí)體接觸，單元算法選擇單點(diǎn)高斯積分（Const.tress）和拉格朗日算法（lagrange）。由于模型軸對稱為節(jié)省計(jì)算只建立1/2模型，為簡化分析子彈彈頭模型以圓柱體代替，彈頭直徑取0.74cm，長度2cm，防彈衣厚度取1.5cm，彈頭以水平80度角入侵。模型采用三位實(shí)體顯式單元Solid164進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分為六面體網(wǎng)格。生成PART后定義接觸算法為面面侵徹算法，即 *CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。數(shù)值模型單位采用g-cm-μs單位制。在ANSYS/LS-DYNA中建立模型劃分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 彈頭侵徹網(wǎng)格劃分

2.2 載荷施加與修改關(guān)鍵字

施加Z方向?qū)ΨQ約束載荷，施加周邊固定約束載荷后施加part1即彈頭初始速度，令初始入侵速度為1 000m/s，然后設(shè)置能量選項(xiàng)、人工體積粘性選項(xiàng)、求解時(shí)間、結(jié)果文件輸出步數(shù)、輸出關(guān)鍵字文件。修改關(guān)鍵字文件，修改材料相關(guān)的關(guān)鍵字段并添加接觸控制接觸剛度關(guān)鍵字。

3 結(jié)果分析

將修改好的關(guān)鍵字文件遞交LS-DYNA程序求解，得到求解結(jié)果文件D3plot將結(jié)果信息讀入LS-PREPOST后處理器，在該后處理器中課觀察侵徹動態(tài)全過程，將窗口分切成四個(gè)窗口以便能同時(shí)顯示4個(gè)不同時(shí)刻的應(yīng)變圖。

為了分析侵徹瞬間彈頭各節(jié)點(diǎn)速度加速度及位移變化情況，取彈頭上4個(gè)節(jié)點(diǎn)248、280、289、300，在后處理器主菜單Time History Results面板中選擇相應(yīng)的參數(shù)繪制各節(jié)點(diǎn)Y方向速度時(shí)間曲線，如圖2。

圖2 節(jié)點(diǎn)Y方向速度時(shí)間曲線

分析彈頭侵徹過程中速度變化，選取partID中H1繪制彈頭速度時(shí)程曲線，在時(shí)間t=80us后，彈頭的速度降至約0.01 cm/us幾乎不在下降，從數(shù)值結(jié)果分析，在t=80 us時(shí)刻彈頭已基本完成對防彈衣的侵徹。

4 結(jié)論

1）本文介利用ANSYS/LS-DYNA對彈頭侵徹防彈衣進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了大量分析數(shù)據(jù)基本接近真實(shí)值。同時(shí)也介紹了進(jìn)行侵徹動力學(xué)分析的一般方法和步驟，并對侵徹原理進(jìn)行了闡述；

2）有限元分析中模型的正確建立、載荷及約束的施加、材料類型的選擇、正確的分析算法都直接影響分析的精度和正確性。隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展數(shù)值模擬在工程應(yīng)用中越來越普遍，這對降低產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期都有重要意義；

3）數(shù)值仿真得到的結(jié)果數(shù)據(jù)將對下一步優(yōu)化彈頭和防彈衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

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TH14

A

1674-6708（2010）30-0217-02

徐偉，碩士研究生，專業(yè)：機(jī)械電子工程，研究方向：機(jī)械CAD/CAE/CAM，精密儀器與虛擬制造