基于ANSYS/LS-DYNA的鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶數(shù)值研究

何 俊

基于ANSYS/LS-DYNA的鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶數(shù)值研究

何 俊

（安徽機電職業(yè)技術(shù)學院，安徽，蕪湖241000 ）

采用ANSYS/LS-DYNA軟件，對某鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶進行數(shù)值模擬。模擬了鉆地戰(zhàn)斗部在給定的初速與起爆時間下侵徹并毀傷混凝土靶板的過程，得出整個鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置在戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處；鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板后不同的起爆時間對混凝土靶板的毀傷效果差異不大。

鉆地戰(zhàn)斗部；ANSYS/LS-DYNA；混凝土靶；侵徹；數(shù)值模擬

混凝土是一種非常重要的建筑材料，在全球已被廣泛應用于各種軍事領域。據(jù)估計，目前世界上有近萬處隱藏在地下的軍事設施，其中一千余處是具有戰(zhàn)略意義的洲際彈道導彈發(fā)射井、指揮與控制中心、生化武器生產(chǎn)與存儲設施等[1]。鉆地戰(zhàn)斗部即人們常說的鉆地彈[2-6]，它是對堅固地下工程和地下戰(zhàn)略導彈基地等重要軍事設施實施精確致命打擊的最主要的武器。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、北約對伊拉克的戰(zhàn)爭中，以及對阿富汗塔利班基地組織進行的軍事行動中，鉆地彈對于敵方地下深層目標的摧毀顯示出巨大的威力。故而，鉆地戰(zhàn)斗部對混凝土靶侵徹的研究受到世界各國的廣泛重視[7]。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展及計算力學理論的日趨完善，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究彈體侵徹問題的主要手段[8]。數(shù)值方法不僅可以得出侵徹過程中各個參數(shù)的變化，并以圖形方式輸出彈與靶之間相互作用的狀態(tài)；而且，利用模擬程序可以有針對性的選擇不同的參數(shù)進行試算，找出該參數(shù)對侵徹與毀傷結(jié)果的影響大小[9]。本文應用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬鉆地戰(zhàn)斗部侵徹并毀傷混凝土靶板的過程，并且對于模擬結(jié)果進行總結(jié)。

2　數(shù)值分析

2.1　鉆地戰(zhàn)斗部與混凝土的結(jié)構(gòu)

鉆地戰(zhàn)斗部殼體材料為鋼，為了取得較好的模擬效果，選取的鉆地戰(zhàn)斗部頭部為鈍形，其頭部小端直徑4.4 cm，頭部高42.1 cm，彈體直徑25.4 cm，殼體壁厚3.6 cm，殼體底厚8 cm，彈長152.4 cm，長徑比為6，裝藥部長94.3 cm，直徑18.2 cm，裝藥密度1.78 g/cm3，形狀如圖1所示。

圖1 鉆地戰(zhàn)斗部形狀

戰(zhàn)斗部殼體采用(*MAT_JOHNSON_COOK)模型，其屈服應力的表達式為：

式中，為即時溫度，0為室溫，T為金屬熔化溫度。

戰(zhàn)斗部裝藥使用TNT炸藥，采用(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模型和JWL狀態(tài)方程來共同描述炸藥材料的能量釋放過程。

混凝土靶板采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)，靶厚為396 cm，密度2.65 g/cm3?；炷磷鳛橐环N典型的非連續(xù)各向異性的脆性材料，其結(jié)構(gòu)復雜，靶板在戰(zhàn)斗部侵徹過程和起爆的作用下，將發(fā)生斷裂、破碎和飛散。本文混凝土靶板采用各向同性彈塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，該模型將體積響應和偏量響應解耦，偏量響應具有壓力依賴屈服面的彈性一理想塑性，體積響應允許非線性壓實，帶有由拉伸截斷定義破壞的非線性壓實[10]。本構(gòu)模型采用米塞斯屈服準則，破壞準則采用有效塑性應變失效準則。

2.2 建立模型

根據(jù)設定的模型尺寸，設計好本模型需要的16個點的坐標，本模型的坐標依次為1（0，0）、2（4.2，0）、3（0，42.1）、4（12.7，42.1）、5（0，50.1）、6（9.1，50.1）、7（12.7，50.1）、8（0，144.4）、9（9.1，144.4）、10（12.7，144.4）、11（0，152.4）、12（12.7，152.4）、13（0，-5）、14（198，-5）、15（0，-401）、16（198，-401）。在建模時，首先依次輸入16個點的坐標，然后把各個坐標連成線，生成鉆地戰(zhàn)斗部與混凝土靶板模型的輪廓，再利用這些線生成戰(zhàn)斗部與靶板模型的面，如圖2所示。隨后對同一種材料的面使用布朗運算進行粘貼，最后使用MeshTool面板為模型劃分單元網(wǎng)格。

戰(zhàn)斗部與裝藥部以及混凝土靶板網(wǎng)格劃分均采用四邊形Lagrange網(wǎng)格。計算模型使用二維實體solid162單元進行劃分，采用軸對稱法（Y軸為對稱軸）。彈丸與靶板接觸采用*CONTACT_2D_ AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法，在靶板邊界處設置全約束。

圖2 計算模型的面

2.3 模擬結(jié)果

本次采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬設定鉆地戰(zhàn)斗部初始速度為600 m/s，起爆時間為4 ms。圖3給出戰(zhàn)斗部各時刻的徑向速度，戰(zhàn)斗部殼體在4 ms裝藥起爆前徑向方向上是穩(wěn)定的，速度基本為0；在裝藥起爆后在其徑向方向速度迅速上升，并在瞬間達到了最大值后而馬上回落，短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的波動，但隨后快速趨于穩(wěn)定，回到裝藥起爆前的狀態(tài)。

圖3 戰(zhàn)斗部徑向時程曲線

圖4 戰(zhàn)斗部軸向時程曲線

圖4給出戰(zhàn)斗部各時刻的軸向速度。從頭部侵入到混凝土開始至戰(zhàn)斗部裝藥起爆前，鉆地戰(zhàn)斗部在軸向方向上的速度穩(wěn)定下降，其速度降幾乎與戰(zhàn)斗部侵入時間成正比。在戰(zhàn)斗部裝藥起爆后，戰(zhàn)斗部軸向方向速度出現(xiàn)波動，戰(zhàn)斗部速度在軸向負方向上瞬間有小幅度提高，而隨即便大幅度的下降，之后戰(zhàn)斗部軸向方向速度又像戰(zhàn)斗部侵入混凝土至起爆前的狀態(tài)，逐步穩(wěn)定的下降。

圖5和圖6分別給出0.1 ms、1 ms、2.5 ms、4.3 ms四個時刻戰(zhàn)斗部與靶板的Von Mises應力圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在時間為0.1 ms時，此時是鉆地戰(zhàn)斗部在混凝土靶板上進行開坑的階段，應力主要集中在鉆地戰(zhàn)斗部的頭部及靶板與之接觸位置。鉆地戰(zhàn)斗部頭部與混凝土靶板接觸處發(fā)生輕微塑性變形。在時間為1 ms時，鉆地戰(zhàn)斗部頭部完全侵入混凝土靶板中，此時在鉆地戰(zhàn)斗部殼體上都有應力分布，而應力集中出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部殼體位置處，鉆地戰(zhàn)斗部頭部的形狀在混凝土的阻力下繼續(xù)改變；與此同時，混凝土靶上的應力集中出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部的壓縮混凝土方向的前部，此位置的混凝土被鉆地戰(zhàn)斗部頭部壓碎破壞。在時間為2.5 ms時，此時整個鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板中，這時鉆地戰(zhàn)斗部殼體上也都有應力分布，并且與1 ms時刻一樣，應力集中仍然在鉆地戰(zhàn)斗部頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部殼體位置處，并且鉆地戰(zhàn)斗部頭部的塑性變形更加嚴重；與之相應的混凝土靶上的應力較為集中位置亦是在鉆地戰(zhàn)斗部頭部的壓縮混凝土方向的前部，鉆地戰(zhàn)斗部頭部繼續(xù)壓縮破壞其前方的混凝土。在時間為4.3 ms時，由于鉆地戰(zhàn)斗部裝藥在4 ms時刻起爆，裝藥爆炸釋放的能量以力的形式作用在鉆地戰(zhàn)斗部殼體上。所以這時在整個鉆地戰(zhàn)斗部殼體上都出現(xiàn)了較大的的應力集中，不僅鉆地戰(zhàn)斗部頭部的塑性變形更加劇烈，而且戰(zhàn)斗部殼體在徑向出現(xiàn)嚴重的變形。而此時的靶板的應力分布在以鉆地戰(zhàn)斗部為中心的區(qū)域內(nèi)，并且離鉆地戰(zhàn)斗部越近，應力分布越集中。

就整個侵徹階段而言，鉆地戰(zhàn)斗部的應力集中出現(xiàn)在頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處，即這兩處是整個鉆地戰(zhàn)斗部最易產(chǎn)生塑性變形的位置。但因為鉆地戰(zhàn)斗部的頭部在侵徹混凝土靶板過程中產(chǎn)生塑性形變不可避免，而且鉆地戰(zhàn)斗部頭部為實心部，已為塑性變形做準備，所以整個鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置在戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處。整個過程中，靶板應力從鉆地戰(zhàn)斗部侵入混凝土靶板階段便產(chǎn)生，在鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土階段中，混凝土靶板與鉆地戰(zhàn)斗部接觸的區(qū)域都有應力分布，而混凝土靶板承受的集中應力多出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部對混凝土的侵徹壓縮的區(qū)域內(nèi)；在鉆地戰(zhàn)斗部起爆后，鉆地戰(zhàn)斗部裝藥的能量對戰(zhàn)斗部殼體施加力，戰(zhàn)斗部殼體也對混凝土靶板產(chǎn)生力的作用，所以裝藥起爆后靶板的集中應力分布在與鉆地戰(zhàn)斗部接觸的四周位置，并以應力波的形式呈球形向外圍擴展，距離球心越近，其應力越大。

鉆地戰(zhàn)斗部最終目的就是毀傷混凝土，對混凝土靶板造成破壞。本文分別設定裝藥部起爆時間分別為1 ms、2 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms，使用LS-PREPOST后處理程序分離出不同裝藥起爆時間后被爆炸破壞混凝土靶板，如圖7所示。由模擬結(jié)果可知，當起爆時間過早時，鉆地戰(zhàn)斗部沒有完全侵入混凝土靶板中，戰(zhàn)斗部裝藥爆炸的能量一部分被釋放到外界而非混凝土靶板中，這時混凝土靶板被爆炸毀傷的面積就沒有鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板中爆炸毀傷的面積大；而當鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板后，起爆戰(zhàn)斗部裝藥的時間對混凝土靶的毀傷面積沒有太大的差異。所以當戰(zhàn)斗部徹底侵入混凝土靶板后，戰(zhàn)斗部裝藥在何時起爆可根據(jù)實際需要來設定。

圖5 不同時刻戰(zhàn)斗部應力分布

圖6 不同時刻混凝土靶應力分布

3　結(jié)論

通過本次模擬得到如下結(jié)論

（1）鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶與裝藥起爆前，徑向方向是穩(wěn)定的，阻力主要來自軸向，且軸向速度穩(wěn)定下降，與時間幾乎成正比，起爆后徑向與軸向速度都有較大波動，之后很快趨于穩(wěn)定，回到起爆前的狀態(tài)。

（2）通過本次模擬，得到了戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶開坑、傾入、起爆過程中彈與靶的應力分布，整個鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置位于戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處。

（3）當戰(zhàn)斗部徹底侵入混凝土靶板后，無論是在多大的侵徹深度起爆戰(zhàn)斗部裝藥，其對混凝土靶板的毀傷效果并無明顯差別，由此戰(zhàn)斗部裝藥在何時起爆可根據(jù)實際需要來設定。

本次模擬研究的結(jié)論可以為動能鉆地戰(zhàn)斗部的設計提供一定的參考，也可以為地下防護工程的設計提供幫助。

圖7 不同時刻起爆對靶板的破壞效果

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NUMERICAL SIMULATION OF EPW PENETRATING CONCRETE TARGET BY ANSYS/LS-DYNA

HE Jun

(Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000, China)

The numerical simulations of EPW penetrating concrete target were completed by ANSYS/LS-DYNA. We mainly simulate the process of burrow warheads in given velocity and initiating time chester and mutilate concrete target invasion. The simulation concludes the weakest position of EPW is located at the warhead thin shell in the rear of the warhead head. After EPW completely invades concrete target board, the destructive effect on the target board is so little difference at different initiation time.

ANSYS/LS-DYNA；concrete target；penetration；numerical simulation

TJ760.3+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.019

1674-8085(2014)03-0081-05

2014-03-17；

2014-04-15

何?。?978－），男，安徽旌德人，講師，碩士生，主要從事動力學仿真研究(Email: ahjdhj@126.com).