Autodyn在《戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)效應(yīng)》教學(xué)中的應(yīng)用

李翔宇　梁民族

摘要：在《戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)效應(yīng)》教學(xué)中引入了Autodyn軟件，并對(duì)破片形成過(guò)程及其影響因素進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，Autodyn能夠直觀地描述殼體膨脹、斷裂和破片加速運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，解決了毀傷課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開(kāi)展的難題。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)；戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)效應(yīng)；Autodyn軟件

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）34-0258-02

引言

《戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)效應(yīng)》是面向我校本科專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)課程[1]，希望通過(guò)課程學(xué)習(xí)使學(xué)員掌握戰(zhàn)斗部毀傷元素形成及其對(duì)目標(biāo)毀傷機(jī)理。要求學(xué)員對(duì)爆破、破片、破甲和侵徹四種典型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理和毀傷效應(yīng)有較全面的了解，掌握典型戰(zhàn)斗部的作用原理及終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的基本理論和知識(shí)。課程教學(xué)采取課堂講授、實(shí)物展示和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)主要通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)[2]和爆炸實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于爆炸實(shí)驗(yàn)具有高危險(xiǎn)性，考慮到危爆品運(yùn)輸、學(xué)員安全防范、教學(xué)安全實(shí)施等因素，目前實(shí)踐中僅開(kāi)設(shè)極少量的野外爆炸實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，如何再現(xiàn)戰(zhàn)斗部毀傷元形成過(guò)程以及對(duì)目標(biāo)的毀傷機(jī)制，更形象地描述戰(zhàn)斗部毀傷目標(biāo)的過(guò)程是實(shí)踐教學(xué)中亟待解決的主要問(wèn)題，也是進(jìn)一步提高課程教學(xué)質(zhì)量的保障。

Autodyn軟件[3]是國(guó)際上模擬爆炸與沖擊波力學(xué)問(wèn)題的常用軟件，采取Autodyn軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量比較理想的途徑。本文以破片戰(zhàn)斗部為例，介紹Autodyn軟件在《戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)毀傷》教學(xué)中的應(yīng)用。

一、Autodyn軟件簡(jiǎn)介

Autodyn由美國(guó)Century Dynamics公司開(kāi)發(fā)，從開(kāi)發(fā)至今在國(guó)際軍工行業(yè)占據(jù)80%以上市場(chǎng)，主要應(yīng)用方向?yàn)閮?nèi)外彈道學(xué)、成形裝藥設(shè)計(jì)、沖擊波形成與傳播、裝甲/反裝甲及沖擊引爆、空氣/水中/土中爆炸等。該軟件基于連續(xù)介質(zhì)方程組，在給定材料模型、初始和邊界條件下，通過(guò)顯示積分和不同的求解技術(shù)來(lái)求解爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。求解器類型有Lagrange方法、Euler方法、ALE方法、SPH方法、Shell方法和Beam方法等。

Autodyn軟件通過(guò)在空間和時(shí)間上將方程組離散，將復(fù)雜的問(wèn)題分解成有限的更小、更簡(jiǎn)單的問(wèn)題。該軟件分析問(wèn)題的一般步驟包括：第1步設(shè)置求解類型和單位制，第2步定義材料和失效模型，第3步定義初始條件，第4步定義邊界條件，第5步建立模型，第6步模型相關(guān)設(shè)置，第7步穿甲、起爆設(shè)置，第8步求解與輸出，第9步計(jì)算與后處理。

二、利用Autodyn模擬自然破片形成過(guò)程

根據(jù)Autodyn軟件分析問(wèn)題的一般步驟，建立2D面對(duì)稱模型。TNT炸藥為中心單點(diǎn)起爆，殼體上設(shè)定10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀察速度變化。圖1給出了殼體破裂成自然破片形狀仿真結(jié)果，可以看出殼體隨機(jī)破裂成大小形狀不一致的破片，大部分破裂過(guò)程遵循內(nèi)層剪切斷裂、外層拉伸斷裂失效模式。可以通過(guò)Autodyn軟件直觀地描述殼體膨脹、斷裂和破片加速運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，解決了毀傷課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)難易開(kāi)展的難題。

三、破片初速影響因素

影響破片初速的因素很多，諸如炸藥類型、殼體材料和結(jié)構(gòu)、起爆模式、裝藥工藝、材料熱處理工藝等等，本文主要考慮起爆模式和炸藥類型對(duì)破片初速的影響。

設(shè)定了四種起爆模式，即中心單點(diǎn)起爆（I）、偏心1點(diǎn)起爆（II）、偏心2點(diǎn)60°起爆（III）、偏心2點(diǎn)90°起爆（IV），起爆模式對(duì)破片初速的影響如圖2所示?？梢?jiàn)偏心起爆由于改變了炸藥能量在圓周方向上的均勻分布，可以通過(guò)調(diào)整起爆點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在某方向上破片能量增強(qiáng)。

通過(guò)改變戰(zhàn)斗部炸藥類型考察炸藥對(duì)殼體初速的影響，TNT、Comp.B和HMX三種炸藥驅(qū)動(dòng)下破片初速結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹剑N炸藥驅(qū)動(dòng)殼體運(yùn)動(dòng)的時(shí)程曲線規(guī)律相近，由于HMX炸藥的Gurney常數(shù)最大，驅(qū)動(dòng)殼體運(yùn)動(dòng)獲得的初速最高。

四、結(jié)論

針對(duì)毀傷課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開(kāi)展的難題，在《戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與終點(diǎn)效應(yīng)》課程教學(xué)中引入了Autodyn軟件。結(jié)果表明，Autodyn可以模擬戰(zhàn)斗部毀傷元的形成過(guò)程，能夠使學(xué)員加深對(duì)武器毀傷的理解，將軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)和課后訓(xùn)練均能起到很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧芳云，李翔宇，林玉亮.戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]陳雷，高欣寶，閆軍，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在彈藥檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（7）：130-131.

[3]Autodyn User Manual 2001[Z].Century Dynamics，Inc.