基于Abaqus與LS-DYNA的破片飛散特性聯合分析方法

顏格, 王建剛, 王中原, 宋超慧

(湖北航天飛行器研究所,武漢 430000)

0 引 言

在炸藥爆炸沖擊下催使高速飛散破片對目標進行殺傷,是戰斗部的常用毀傷方式。常用預制破片有球形、方形、桿形等,破片排布可以是單層的也可以是多層的交錯排布。真實的戰斗部往往有數以萬計的破片,在戰斗部前處理建模過程中,對這些破片進行手動排布會占用大量的時間。借助Abaqus的Python二次開發功能,編寫自動排布破片插件,減少重復建模工作,可使工作的重心轉移到分析計算結果上。

在破片飛散特性分析領域,LS-DYNA是眾多高校與科研院所認可的經典分析軟件[1-2],但是現有的各類CAE軟件都缺少將Abaqus生成的inp計算文件轉換成LS-DYNA的計算文件即k文件的功能。為此,認真分析inp與k文件的邏輯結構,基于Abaqus的Python二次開發編寫將inp文件轉譯為k文件的插件,從而實現用Abaqus建模、用LS-DYNA計算的目的。

全面的破片飛散結果分析不僅需要破片整體的飛散初速度和定性分布情況,還需要給出初速度方差、飛散角、方位角等飛散特性數據。更全面細致的破片飛散分析,需要分區間給出破片分布情況和初速度。對于數以萬計的破片,人工完成統計和計算不容易實現,可以編寫后處理腳本文件讀取LS-DYNA計算數據并進行分析。

使用破片建模插件,輸入文件格式轉換插件以及后處理分析腳本文件,可以極大地提升破片飛散特性仿真分析的工作效率和分析深度。

1 破片建模與輸入文件轉換插件

Abaqus是一款大型通用有限元分析軟件,兼備前處理、求解器、后處理功能,并能進行結構力學、流體力學、熱力學、電磁學及其之間的耦合分析。Abaqus提供Python、C++、FORTRAN的二次開發接口,可以對前處理、求解器、后處理的全流程進行靈活廣泛的二次開發,并能封裝為插件,便于交互使用。其中,Python和C++用于對Abaqus前后處理的二次開發,FORTRAN用于對求解器的二次開發[3]。Python提供高效簡潔的數據結構,能簡單地面向對象編程,同時Python作為一種開源語言還擁有廣泛的函數庫,可以借用到二次開發環節中。此外,Abaqus的內部編碼也可由Python語言實現,僅用Python便能實現Abaqus前、后處理中幾乎全部的功能[4-7]。

戰斗部中破片數量多達上萬,其排布方式大多是交錯的(見圖1),且往往排布在不規則的曲面上。同時,破片的形狀也不限于球形,還有方形、圓柱形、桿形破片等,應綜合考慮其毀傷能力和對阻力的影響[8]。

圖 1 破片排布示意

使用Python語言對戰斗部破片排布建模進行二次開發。先編寫單個破片有限元網格模型子函數,然后按照如下流程編寫程序:

(1)戰斗部是極對稱的,選取破片排布曲面上的一條母線,根據破片特征尺寸計算母線上破片放置的坐標;

(2)根據預制破片的排布規律,在柱坐標系下對母線上的破片放置坐標進行旋轉,得到底層破片放置坐標;

(3)根據預制破片的排布規律,在排布曲面的法向上逐步推算上層破片坐標,最終得到全部破片坐標;

(4)循環使用單破片有限元建模子函數,在所有放置坐標上形成破片。

部分破片有限元模型見圖2。

(a)

LS-DYNA是通用顯式動力學分析軟件,適用于求解高速碰撞、沖擊、爆炸、飛散等瞬態非線性等問題[9-11]。*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型是LS-DYNA中用于模擬高能炸藥爆轟的模型,配合狀態方程*EOS_JWL可描述炸藥狀態。*EOS_JWL狀態方程通常用于描述炸藥爆炸產物壓力,

(1)

式中:P為爆轟產物的壓力;E為單位體積內能;V為相對體積;A、B、R1、R2、ω為常數。

采用LS-DYNA中ALE算法和流-固耦合功能,可以較好地模擬炸藥與殼體、破片的相互作用,精確地模擬破片速度,并且可以模擬破片對目標的破壞作用。但是,LS-DYNA目前沒有讀取Abaqus計算模型的接口,因此需要將Abaqus計算文件轉譯為LS-DYNA可讀的形式。

inp文件為Abaqus生成的計算文件,其中依次記錄如下數據:

(1)每個Instance的節點、單元、材料、集合、截面、初始條件等屬性;

(2)裝配體的集合、初始條件、邊界條件、運動約束、相互作用、相互作用屬性等;

(3)材料本構模型以及相關參數;

(4)分析步設置、分析步屬性、場輸出、歷史輸出等。

雖然inp文件里記錄計算文件的全部數據,但仍有部分數據不方便搜尋、調用的情況,這時可以選擇同時從cae文件中直接調用相關數據進行補充[12]。cae文件是Abaqus的模型數據庫文件,記錄建模時的全部信息,可以使用Abaqus基于Python的命令流對cae文件進行讀寫。與此同時,使用Python讀取inp文件中的相關參數,按照LS-DYNA約定的格式編寫k文件。最后,在k文件中補充LS-DYNA獨有的少量關鍵字命令,便能形成可供LS-DYNA求解器讀取的完整k文件。

整個前處理流程見圖3。

圖 3 前處理流程

2 使用LS-DYNA求解及飛散數據后處理分析

使用LS-DYNA的流-固耦合算法對提交的k文件進行計算。以某次破片飛散特性分析為例,破片飛散景象見圖4。待破片飛散穩定后,提取每枚破片的坐標、位移和速度等數據。編寫批處理腳本文件對以上數據進行統計,得到不同飛散角區域內破片的最大速度、最小速度、平均速度、速度方差等,并計算整體的飛散特性。破片的初速度計算結果見表1;飛散角度數據見表2,其中5%飛散角、95%飛散角分別指5%、95%的破片落入的角度范圍,飛散角是指5%～95%的破片落入的角度范圍;沿飛散角每2°取一區間統計破片數量和速度,結果見表3;以離彈尖最近破片為原點,沿彈軸方向均分30個區間,統計每個區間內破片的速度信息,結果見表4。

(a)

表 1 全部破片初速度計算結果

表 2 飛散角度數據 (°)

為形象地呈現破片飛散的分布與初速度,繪制破片比例沿飛散角的變化曲線,見圖5(a)。結合表3可以算出87%的破片集中在飛散角60°～100°的范圍內。繪制破片初速度沿飛散角的變化曲線,見圖5(b)。結合表3可知:飛散角從4°到104°,99.7%的破片初速度在1 747 m/s以上;在飛散角104°之后,破片初速度開始明顯衰減。由此可以判斷,這一方案殺爆戰斗部對飛散角大于104°區域的破片毀傷能力不如前段。繪制破片比例沿彈軸方向的變化曲線,見圖5(c)。結合表4可見,68.9%以上的破片集中在距離彈尖0.8 m的范圍內。繪制破片初速度沿彈軸方向的變化曲線,見圖5(d)。另外,由表4可見,距離彈尖0.8 m以外的破片初速度較前段較高,可以判斷這一方案殺爆戰斗部后端破片毀傷能力較強。繪制破片初速度、破片飛散角的散點圖,并繪制最大值、最小值、均值、中位數曲線,見圖5(e),可以更形象地觀察破片飛散特性。

表 3 區間計算結果

表 4 軸向區間計算結果

本次仿真對應狀態的試驗數據如下。破片數量沿飛散角的變化曲線見圖6(a),仿真所得破片比例沿飛散角變化曲線見圖6(b),兩者的趨勢較為吻合。

試驗所得飛散角數據見表5。與試驗相比,仿真飛散角誤差為8%,方位角誤差為4%,可驗證本破片飛散特性聯合分析方法的可行性。

利用本文的破片飛散特性聯合仿真分析方法,可完成多種殺爆戰斗部方案的優化迭代工作,提升戰斗部毀傷性能,半自動化的操作方式也可提高仿真分析效率。

3 結束語

經過多輪殺爆戰斗部優化迭代分析,驗證Abaqus全面靈活的二次開發能力,LS-DYNA顯式求解器和ALE流-固耦合算法以及腳本化的破片數據處理方式,可以大幅提高破片飛散特性分析的建模效率、準確性和分析深度。基于此聯合分析方法,可以精確深度評估殺爆戰斗部沿飛散角、沿彈軸的破片分布情況和毀傷能力,輔助殺爆戰斗部完成優化迭代。此聯合分析方法可使破片飛散特性分析向模塊化、半自動化轉變,具有實際意義。

(a)飛散角-數量

(a)試驗曲線

表 5 試驗角度數據 (°)