基于數(shù)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(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

基于數(shù)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(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

采用數(shù)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(yīng)模型，并導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行前處理，進(jìn)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(jìn)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(chǎn)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(fù)雜，與彈體速度、幾何形狀、彈靶材料特性等因素相關(guān)。由于打靶試驗(yàn)成本高、周期長，難以對其特性進(jìn)行全面分析。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真逐漸成為侵徹研究的主要方法，其可以快速準(zhǔn)確地對侵徹過程進(jìn)行再現(xiàn)模擬。

安裝在測試裝置內(nèi)部的存儲測試系統(tǒng)是獲取侵徹過載信號的硬件實(shí)現(xiàn)方式。傳感器作為存儲測試系統(tǒng)的重要組成部分，其位置的變化必然會對獲得信號產(chǎn)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(fā)下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jié)構(gòu)響應(yīng)。

頻譜圖[2]可以直觀反映對應(yīng)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(jìn)行評估。

1　彈體結(jié)構(gòu)

本文采用的彈體模型為卵形頭部侵徹體，其主要結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qiáng)度合金鋼，直徑d=64 mm，長度L=320 mm，長徑比L/d=5。彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　彈體結(jié)構(gòu)模型

測試裝置位于彈體中部，主要包括鋼制殼體結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)示意圖

測試裝置內(nèi)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(jìn)行定位，之后將聚氨酯材料灌封在鋼制殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。為使聚氨酯材料充分發(fā)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(jìn)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(wǎng)格劃分

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入HyperMesh，并對一些不必要的局部特征進(jìn)行適當(dāng)簡化，刪除倒角、灌封孔等。采用8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格對實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。

靶板尺寸為φ1200 mm×200 mm對其采用疏密不同的網(wǎng)格劃分[3]，即中心區(qū)域網(wǎng)格較密，邊緣區(qū)域網(wǎng)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(wǎng)格劃分過多導(dǎo)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(yīng)，而不考慮螺紋失效和電池?fù)p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(nèi)部聚氨酯與殼體間采用共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)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(jié)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(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓強(qiáng)條件下的特性，采用J-H-C損傷本構(gòu)模型[4]進(jìn)行描述，其屈服應(yīng)力為：

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

J-H-C損傷本構(gòu)模型在 LS-DYNA中對應(yīng)為*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，并采用*MAT_ADD_EROSION設(shè)置混凝土失效方程。

在彈體侵徹混凝土過程中，多數(shù)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(yīng)變率，屈服應(yīng)力如式：

式(2)中，σ為初始屈服應(yīng)力；ε.為應(yīng)變率；C、P為應(yīng)變率參數(shù)；為有效塑性應(yīng)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(qiáng)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(zhì)聚氨酯發(fā)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(jié)點(diǎn)或表面，并設(shè)置類型及相關(guān)參數(shù)，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(jié)約計算時間與空間，采用單點(diǎn)高斯積分單元計算。同時考慮到此種計算方式可能導(dǎo)致單元變形的零能模式，即單元應(yīng)變能將不受單點(diǎn)積分的影響，使得在非線性計算時產(chǎn)生數(shù)值振蕩現(xiàn)象，對計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差[7]。為避免出現(xiàn)這種情況，利用LS-DYNA關(guān)鍵字控制混凝土靶板的拉格朗日網(wǎng)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(jié)果的準(zhǔn)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(yīng)有限元模型中將彈體上所有節(jié)點(diǎn)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(jié)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(jié)果如圖6所示。彈體垂直穿透混凝土靶板，侵徹過程結(jié)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(fā)，在侵徹過程中更希望獲得的是一種相對平穩(wěn)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(xù)的信號處理及控制提供有效依據(jù)。

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(chǎn)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(wěn)，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(jìn)行傅立葉變換，轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域的頻譜，獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)。

設(shè) x(n)為N點(diǎn)有限長序列，其DFT為：

頻譜圖反映了對應(yīng)頻率與能量的關(guān)系，對其進(jìn)行頻譜分析，從頻域中能量分布情況的角度進(jìn)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(rèn)為是剛體過載對應(yīng)的頻率。從圖8中可以看出，當(dāng)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(fā)的彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大。

方案3安裝位置下測取的信號，各頻率對應(yīng)下的信號幅值都較小，傳感器部位的振動比較平穩(wěn)，說明當(dāng)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(jié)　論

本文利用數(shù)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(yīng)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(jìn)行計算后提取傳感器部位的過載信號，并進(jìn)行分析評估，說明在位置變化對過載信號獲取產(chǎn)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。

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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?yàn)橄到y(tǒng)動力學(xué)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?yàn)閭鞲信c測試。E-mail：lixiaofeng@bit.edu.cn