基于數值仿真對傳感器安裝位置的分析評估

陳　玟， 張京英， 李曉峰， 賈　濤

(1. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 北京理工大學機電學院，北京 100081)

基于數值仿真對傳感器安裝位置的分析評估

陳玟1， 張京英1， 李曉峰2， 賈濤1

(1. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 北京理工大學機電學院，北京 100081)

采用數值仿真的手段，針對彈體高速侵徹混凝土靶板過程中不同安裝位置的傳感器建立相應模型，并導入HyperMesh進行前處理，進一步建立其有限元模型，遞交LS-DYNA求解計算得到傳感器位置的時域信號，并通過頻譜分析對比過載信號，對不同位置進行評估。說明彈體測試裝置中傳感器安裝位置的變化對獲取的過載信號產生的影響，并證明傳感器處于測試裝置后部時，信號更符合期望。

有限元；侵徹；LS-DYNA；過載信號

彈體高速侵徹混凝土靶板過程十分復雜，與彈體速度、幾何形狀、彈靶材料特性等因素相關。由于打靶試驗成本高、周期長，難以對其特性進行全面分析。隨著計算機技術的發展，數值仿真逐漸成為侵徹研究的主要方法，其可以快速準確地對侵徹過程進行再現模擬。

安裝在測試裝置內部的存儲測試系統是獲取侵徹過載信號的硬件實現方式。傳感器作為存儲測試系統的重要組成部分，其位置的變化必然會對獲得信號產生一定影響。加速度過載信號基本組成包括剛體過載和在剛體過載激發下產生的結構響應過載等[1]。侵徹分析更希望獲得清晰的剛體過載信號，而非高頻結構響應。

頻譜圖[2]可以直觀反映對應不同頻率信號的能量分布情況。因此可采用頻譜分析的方法，對不同安裝位置下的傳感器所獲得的侵徹過載信號進行評估。

1　彈體結構

本文采用的彈體模型為卵形頭部侵徹體，其主要結構包括彈身、配重銅塊、測試裝置、電源裝置及頂蓋等。將上述零部件按照一定順序依次裝入彈體內部，最后采用頂蓋與彈體間的螺紋連接擰緊固定。彈身材料為高強度合金鋼，直徑d=64 mm，長度L=320 mm，長徑比L/d=5。彈體結構如圖1所示。

圖1　彈體結構模型

測試裝置位于彈體中部，主要包括鋼制殼體結構、加速度傳感器、電路板以及灌封聚氨酯等(如圖2所示)。

圖2　測試裝置結構示意圖

測試裝置內零部件安裝方式為：加速度傳感器固連在電路板上，利用螺栓對電路板進行定位，之后將聚氨酯材料灌封在鋼制殼體結構內部。為使聚氨酯材料充分發揮其減振特性，電路板懸浮于聚氨酯中，與殼體之間無剛性接觸。

2　有限元模型建立

采用 Altair HyperMesh進行有限元模型前處理，LS-DYNA作為求解器，Ls-PrePost作為后處理軟件。

2.1網格劃分

將三維實體模型導入HyperMesh，并對一些不必要的局部特征進行適當簡化，刪除倒角、灌封孔等。采用8節點六面體網格對實體結構進行離散。

靶板尺寸為φ1200 mm×200 mm對其采用疏密不同的網格劃分[3]，即中心區域網格較密，邊緣區域網格稀疏。這樣在靶板尺寸較大的情況下，既能保證計算精度，又避免了網格劃分過多導致增加不必要的計算成本。

本次分析主要考察傳感器位置的響應，而不考慮螺紋失效和電池損壞的問題，所以將頂蓋與彈體之間的螺紋連接簡化為剛性連接，電源裝置內部聚氨酯與殼體間采用共節點的方式進行處理。

劃分完畢的有限元模型如圖3所示。

圖3　彈體與靶板有限元模型

模型整體包括彈體與靶板兩部分。為節約計算時間，將兩者間距離盡可能減小。其中彈體劃分完畢后的有限元模型剖面如圖4。

圖4　彈體有限元模型

2.2材料模型建立

靶板材料為素混凝土，考慮其在大應變、高應變率和高壓強條件下的特性，采用J-H-C損傷本構模型[4]進行描述，其屈服應力為：

式(1)中，A為粘性常數；B為壓力強化系數；C為應變率系數；D為損傷度；ε .*為應變率；N為壓力硬化指數；σ*為等效應力；P*為壓力。

J-H-C損傷本構模型在 LS-DYNA中對應為*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，并采用*MAT_ADD_EROSION設置混凝土失效方程。

在彈體侵徹混凝土過程中，多數零部件幾乎無變形或變形很小，均可視為剛體。如表1所示各向同性彈塑性材料，選用的材料模型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC(塑性隨動硬化模型)。用Cowper-Symonds模型[5]考慮應變率，屈服應力如式：

式(2)中，σ為初始屈服應力；ε.為應變率；C、P為應變率參數；為有效塑性應變； EP為塑性硬化模量。

表1　部分零件材料

由于仿真過程中不考慮傳感器與電路板在材料強度方面的破壞，只考慮配重，故電路板與傳感器均采用*MAT_ELASTIC(線彈性材料)。

聚氨酯[6]是一種多孔泡沫材料，考慮氣孔中氣體壓力對材料特性的影響，使用LS-DYNA中*MAT_CLOSED_CELL_FOAM(低密度硬質聚氨酯發泡材料)，本文仿真采用的聚氨酯密度為0.973 g/cm3。

2.3接觸控制

LS-DYNA是通過定義接觸節點或表面，并設置類型及相關參數，使程序在計算過程中識別物體之間的接觸并考慮摩擦力。其中，彈體與混凝土靶板之間的接觸采用*CONTACT_ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE。

為了節約計算時間與空間，采用單點高斯積分單元計算。同時考慮到此種計算方式可能導致單元變形的零能模式，即單元應變能將不受單點積分的影響，使得在非線性計算時產生數值振蕩現象，對計算結果產生較大誤差[7]。為避免出現這種情況，利用LS-DYNA關鍵字控制混凝土靶板的拉格朗日網格單元，將沙漏能納入能量計算范圍，并通過沙漏能與總能量的對比保證計算結果的準確性。

2.4邊界與載荷

彈體以400 m/s的初速度垂直侵徹混凝土靶板。對應有限元模型中將彈體上所有節點沿彈體軸線方向施加400 m/s的初速度。將靶板邊界約束固定。

3　傳感器位置變化

傳感器在測試裝置中前后位置的不同，會使前后灌封的聚氨酯量也不同，因此減振效果也會有差異。將傳感器分別置于測試裝置的前部、中部和后部(如圖5所示)。其中，中間位置位于前、后位置連線的1/2處。取上述3種方案分析傳感器安裝位置對獲取加速度信號的影響。

圖5　3種傳感器安裝方案示意圖

3種模型除傳感器的位置不同以外，其余條件保持不變。

4　結果分析

將上述3種安裝方案的侵徹有限元模型提交到LS-DYNA中求解計算。仿真結果如圖6所示。彈體垂直穿透混凝土靶板，侵徹過程結束后彈體余速約為270 m/s 。

圖6　彈體侵徹靶板過程

4.1時域信號

從時頻角度出發，在侵徹過程中更希望獲得的是一種相對平穩且清晰的加速度過載信號，盡可能過濾掉高頻振蕩信號，為后續的信號處理及控制提供有效依據。

利用LS-PrePost分別提取3種方案傳感器位置的加速度過載曲線如圖7所示。

對比上述3種過載曲線可以看出，侵徹過程產生的剛體過載，即減加速度特征基本相同。但方案3與其余兩種方案相比，加速度信號明顯更加平穩，并且過載值較小。

圖7　3種安裝方案傳感器加速度信號

4.2過載頻域分析

為了更直觀的比較3種加速度信號，對其進行傅立葉變換，轉變為頻率域的頻譜，獲得信號的頻率結構。

設 x(n)為N點有限長序列，其DFT為：

頻譜圖反映了對應頻率與能量的關系，對其進行頻譜分析，從頻域中能量分布情況的角度進行比較分析(如圖8所示)。

低頻能量均集中在1 732 Hz左右，可認為是剛體過載對應的頻率。從圖8中可以看出，當傳感器位于測試體中部位置時，獲取的信號在高頻段幅值最大，說明引發的彈體結構響應較大。

方案3安裝位置下測取的信號，各頻率對應下的信號幅值都較小，傳感器部位的振動比較平穩，說明當傳感器位于測試裝置后方時，獲得的信號更符合期望。

圖8　加速度信號頻譜對比

5　結　論

本文利用數值仿真手段，針對侵徹過程中不同傳感器安裝位置建立相應有限元模型，考慮模型材料、邊界條件、能量控制等因素，提交 LS-DYNA進行計算后提取傳感器部位的過載信號，并進行分析評估，說明在位置變化對過載信號獲取產生的影響。得知將傳感器置于測試裝置后方時，獲得的信號更符合期望。

[1] 郝慧艷, 李曉峰, 劉明杰, 等. 侵徹混凝土靶板層數快速算法[J]. 火力與指揮控制, 2013, 38(3): 167-170.

[2] 郭丹楓, 龐兵. 振動信號處理的時頻域方法[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2007, 12(4): 15-17.

[3] 楊光輝, 徐健, 段夢蘭, 等. 黏土條件下霍爾錨落錨過程建模與分析[J]. 圖學學報, 2015, 36(2): 193-197.

[4] 李忠獻, 劉澤鋒. 混凝土動態本構模型綜述[J]. 天津大學學報, 2015, (10): 853-863.

[5] 路會龍, 姚平喜, 劉海英. 基于ANSYS/LS-DYNA的受控噴丸工藝過程仿真[J]. 機械設計與制造, 2009, (2): 214-216.

[6] 劉佳生. 淺析硬質聚氨酯泡沫材料的發展與應用[J].科技創新與應用, 2013, (13): 23.

[7] 張鵬, 周德源. 基于ANSYS/LS-DYNA的護欄沖擊模擬分析精度研究[J]. 振動與沖擊, 2008, 27(4): 147-152, 163.

Assessment of Sensor Positions Based on Numerical Simulation

Chen Min1,Zhang Jingying1,Li Xiaofeng2,Jia Tao1
(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. School of Electromechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Using numerical simulation, the models of high-speed projectile penetration of concrete target board with sensors in different positions are built and then imported in HyperMesh to get the finite element models. The time-domain signals of sensors at three different locations are acquired by LS-DYNA. Comparison is made among these signals by the method of frequency-domain analysis. And it turns out that different installation locations in the projectile test device have different influences on the frequency constitute of the overload signals. Conclusions have been made that when the sensor posits in the back of test device, penetration deceleration on rigid-body is clearer and high frequencies is smaller.

finite element model; penetration; LS-DYNA; overload signal

TP 391

A

2095-302X(2015)06-0868-04

2015-06-24；定稿日期：2015-07-31

陳玟(1991–)，女，山東臨沂人，碩士研究生。主要研究方向為系統動力學分析。E-mail：clover1123@yeah.net

李曉峰(1979–)，男，河南平頂山人，講師，博士。主要研究方向為傳感與測試。E-mail：lixiaofeng@bit.edu.cn