彈丸侵徹混凝土靶面的數值模擬與分析

陳冬波 曾 炘

（1.南京模擬技術研究所，江蘇南京210016；2.聯勤保障部隊第四采購服務站，遼寧沈陽110026）

0 引言

目前的檢靶技術，主要針對平面靶板的命中檢靶，對于工事類混凝土立體設施的命中檢靶研究較少，較為成熟的導電報靶和激波報靶方式均適用于平面及小目標報靶，對于立體工事類目標的報靶均不適用。工事類目標的檢靶比較可靠的方法是檢測彈丸命中過程中的沖擊過載變化范圍及持續時間范圍，故本文利用有限元分析手段，提供了一種彈丸命中水泥工事的數值分析方法，為工事類目標的檢靶技術研究提供一定的理論數據支撐。

1 分析方法與流程

該分析為一個典型的顯式動力學分析，目前，使用較為廣泛的顯式動力學分析軟件為ANSYS軟件中的LS-DYDA模塊，本分析擬采用該分析軟件進行分析。

采用ANSYS軟件中的LS-DYDA模塊進行顯式動力學分析，需完成前處理、求解計算、后處理三個步驟。

（1）前處理即運用ANSYS軟件構建有限元分析模型，根據計算的精確度要求定義單元類型并劃分網格、定義材料參數，施加邊界固定約束及法面約束等約束，對動力部件施加動力源，如初速度、接觸算法等參數。

（2）求解計算在前處理完成后進行，需選擇計算方法等參數。本分析采用Lagrange方法分析計算，求解計算時網格致密度不同，其計算時間也不同，故實際操作中，往往將受力分析主要部分網格劃分得致密些，將次要部分網格劃分得稀疏些，這樣既可保證計算精確度，又能保證計算時間不至于太長。

（3）后處理階段需等待求解計算完成后進行，可根據分析需要在軟件中選擇所需圖表、曲線等數據，如速度曲線、加速度曲線、位移曲線等數據。

以上為該分析的主要分析步驟，詳細流程如圖1所示。

2 構建數值分析模型

在仿真與分析前先進行數值模型構建，該模型構建與分析采用ANSYS有限元分析軟件。由于侵徹角度在實際情況下無法預見，本文主要分析侵徹過程中過載特性的量級范圍，此處只考慮垂直侵徹情況，故該分析可轉化為軸對稱分析。為減少分析過程中的計算時間，模型可按實際模型的1/4進行建模，建模后分別在模型邊界面及對稱面上施加固定約束和法面約束。

圖1 分析流程圖

建立靶面模型：混凝土靶板尺寸100 cm×100 cm×100 cm，泊松比μ=0.18，密度ρ=2.24×10-3kg/cm3，屈服應力σ=1.0×108Pa，彈性模量E=2.06×1010Pa。

靶面模型如圖2所示，由于靶面尺寸遠大于彈丸，故將與彈丸接觸的潛在區域網格劃分得致密一些，其余區域網格劃分得相對稀疏，以節約計算時間。

圖2 混凝土靶面模型

建立彈丸模型：彈丸口徑122 mm，長度80 cm，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.76×10-3kg/cm3，屈服應力σ=1.62×109Pa，切線模量τ=2.435×109Pa，彈性模量E=2.07×1011Pa。

彈丸模型如圖3所示[1-4]。

3 求解及結果分析

以上模型構建完成后，需設置計算參數，如初速度、起點及計算時間等，并對靶面和彈丸的邊界施加固定約束，對對稱面施加法面約束。

圖3 彈丸模型

侵徹初始參數設置，彈丸到混凝土靶面初始距離為10 cm，彈丸初速度設置為400 m/s。設置參數后開始計算仿真，計算完成后，在軟件處理器中可查看到彈丸侵徹的過載曲線及侵徹過程模擬動畫，侵徹過程狀態圖如圖4所示，侵徹位移、速度及加速度曲線分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 侵徹過程狀態圖

圖5 侵徹位移歷程曲線

圖6 侵徹速度歷程曲線

圖7 侵徹加速度歷程曲線

根據以上仿真計算結果分析，可得出彈丸侵徹過程最大加速度值、彈丸過靶后速度值、彈丸過靶時間等數據，如表1所示。

表1 侵徹過載數據

以上數值為根據仿真分析結果得出的分析數據，據此可延伸計算出彈丸侵徹靶面過程中一定時間內的動能及能量損失變化。

4 結語

本文主要采用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊對彈丸侵徹混凝土靶面進行了數值模擬與分析，得到了彈丸侵徹混凝土靶面的過載特性數據。根據過載特性數據分析，彈丸在侵徹混凝土過程中會有較大的加速度及速度變化，可延伸計算出彈丸侵徹靶面前后一定時間內的動量變化與能量損失，通過先進傳感技術可檢測到該侵徹過程中靶面的振動能量與強度級別，從而分析出彈丸是否著靶。

將該結果數據作為檢靶技術研究的理論依據，可減少檢靶技術研究過程中的實彈試驗次數，縮短研究周期，降低產品研制成本，且本文分析方法也可為類似研究提供參考。