高速弹体多层靶板目标侵彻数值模拟研究

大嘴猴

2021年5月6日 21:09

浏览：3062 评论：4 收藏：16

1. 计算模型及工况

本轮计算开展高速弹体多层靶板目标典型侵彻过程仿真研究，并针对高速战斗部侵彻硬目标引信的响应规律进行分析。待开展的工况包括：

工况1：发射速度850m/s，目标为钢制靶体，厚度分别为10mm，16mm，8mm，8mm的921A船用钢板，层间距依次为3m、2m、2m；

工况2：发射速度及靶体厚度和材质条件与工况1类似，但层间距调整为1.5m、1m、1m；

工况3：发射速度850m/s，典型混凝土层式目标，层间距1.5m，第一层厚度为300mm，其他三层厚度为180mm，配筋率不小于0.3%，混凝土强度不低于40MPa；

工况4：条件与工况3相同，层间距调整为3.5m。

本报告的内容组织形式亦按照以上工况顺序进行。在进入显式非线性数值模拟前，首先进行了弹引系统结构模态分析，考察了弹引系统的基本振动特性；随后分别对四组工况进行了仿真分析，对计算结果进行了处理和讨论。

2. 弹引系统模态分析

以侵彻模型中搭建的主要基于六面体-三棱柱混合单元的弹体四分之一模型为基础，搭建了全弹结构模态分析模型，如图1所示：

图1 全弹结构轴视图

图2给出了其内部的剖面结构。注意到模型中移除了弹体内部前端的填充物结构。根据此前的分析经验，如果简单的将填充物处理为六面体单元实体结构并与弹体结构进行直接耦合，会向结构中引入真实世界中不存在的轴向、抗弯及抗扭刚度，导致计算结果失真，带来大量误差。类似的处理方式还包括测试体前端的传爆结构，亦在模型中进行了移除并被替换为均匀分布的集中质量单元。相关内容在3.2节工具误差分析中有详细讨论。

图2.jpg

图2 全弹结构剖视图 X-O-Z平面

模型共包括六面体-三棱柱混合单元143808个。弹体主要结构为钢，测试体结构有两种材料选型方案，分别为钢和铝合金。后续的模态分析计算中分别对这两种选型方案进行了模态提取和结果汇总。

2.1 采用钢制测试体弹体的模态分析结果

采用钢制测试体的弹体结构模态分析结果如表1所示：

表1 钢制测试体弹体模态分析结果

阶数	固有频率（赫兹）	振型描述
1-6阶	/	刚体模态
7	1399.71	弹体自身坐标系X-O-Z平面内一阶弯曲
8	1400.09	弹体自身坐标系X-O-Y平面内一阶弯曲
9	2369.36	弹体自身坐标系绕X轴一阶扭转
10	2971.53	弹体结构包括引信结构在内的沿X轴向的往复振动

关注的关键阶数为第十阶，其振型图如图3所示，分别为弹体结构在相位角0°，90°，180°下的振型，其主要振型表现形式为引信结构及其周围区域沿弹体轴向的往复振动。

2.2 采用铝合金制测试体弹体的模态分析结果

采用类似的计算方式，仅将全部测试体结构替换为铝合金材质并重新计算，模态提取结果如表2所示：

表2 钢制测试体弹体模态分析结果

阶数	固有频率（赫兹）	振型描述
1-6阶	/	刚体模态
7	1400.86	弹体自身坐标系X-O-Z平面内一阶弯曲
8	1401.13	弹体自身坐标系X-O-Y平面内一阶弯曲
9	2362.79	弹体自身坐标系绕X轴一阶扭转
10	3003.91	弹体结构包括引信结构在内的沿X轴向的往复振动

采用铝合金结构测试体的弹体模态分析结果表明其比刚度轻微高于采用钢制结构测试体的弹体；弹重方面采用铝合金材料测试体的方案有轻微优势。

2.3 误差分析

本轮模态分析的主要潜在误差来自测试体内部的模型形态误差。如图4所示，在填充物内部原留有两组共8枚支撑物安装孔，但在原侵彻模型中该结构并未体现，基于侵彻模型构建的模态分析模型中，也没有包含支撑物解耦股。当前模型中移除了支撑物后，结构轴向的传力路径相当于内部的传感器及测试体结构被前后的准圆柱形填充物夹持在其间。

后续计算中，可在本轮模型的基础上，获取原有测试体的三维数模，并根据数模在本轮模型基础上增加8枚支撑物结构。预计该轮修改将一定程度上增大系统的轴向刚度，从而引起计算结果的轻度右移。

图4 测试体结构剖视图

2.4 模型中的工具误差处理及规避

在保证较高离散单元质量和材料参数正确的前提下，装配体模态分析中引入的工具误差主要来自不当的零部件接触关系的处理引入的真实世界不存在的额外刚度，以及模型的不当简化引入的真实世界不存在的额外刚度两类。模态分析作为典型的线性分析，会自动将所有零件之间的接触关系做线性化处理，从而使模态分析结果整体右移（过刚）。以下对模型中的各组接触关系及模型简化情况进行逐一梳理：

1. 弹体与弹体底盖：在模型处理中通过共节点连接，该部分不会引入额外刚度。

2. 压螺部分通过外螺纹结构（模型中已省略）与弹体连接并作为限位器限制装填于弹体内部的测试体结构沿弹体轴向的运动，因此将压螺部分外螺纹区域与弹体结构进行固连接触；压螺底端与弹体后盖部分不设置接触。

3. 传爆序列的形态简化。如图5所示，传爆序列位于弹体内部测试体前端，并通过预制于弹体结构的孔洞与前端的装填物连接。较之典型的传爆结构，该结构的形态明显经过简化，如果直接将其处理为金属（铝/钢）团块，并通过固连接触分别与弹体和引信直接连接，会导致局部结构刚度的异常升高，并改变弹体结构传力路径。在本轮模型调试中，在模型处理时将其移除，并替换为一组总质量为384.1g的集中质量单元，均匀分布于原金属团块的占位孔四周。

图5 传爆结构占位

4. 引信基座、引信壳体及引信内部的接触关系处理原则

对参与模型内部轴向传载的不可分离接触面，使用绑定接触进行处理，以保证弹体结构轴向刚度的准确性；对不参与轴向传载，且可进行切向滑移的接触面，不作额外的接触处理，以防止引入不存在的扭转及抗弯刚度。

1. 工况1仿真结果

工况1的计算模型如图6所示。

图6 工况1-多层金属靶板侵彻计算模型

图7-1，图7-2，图7-3及图7-3分别给出了弹体结构在各个时刻击穿钢制靶板的瞬间形态。图8则给出了弹体结构在击穿第一层钢靶板时刻的局部放大视图。

图7-1 侵彻历程

图7-2 侵彻历程

图7-3 侵彻历程

图7-4 侵彻历程

图7-5 侵彻历程

图8 弹体-钢靶板侵彻过程局部放大视图

提取引信位置的过载曲线，如图9所示。可以检测到非常明显的过载峰值信号。信号幅值最大约为22000g，常规状态下四组过靶信号的幅值亦超过了17500g。可以以该g值，作为穿层计数的依据。

图9 工况1引信过载信号

图10 工况2引信过载信号 2000Hz阈值低通滤波

2. 工况2仿真结果

工况2与工况1的计算模型较为相似，其区别主要在于钢制靶板的靶板间距发生了变化。在建模过程中预设的总计算时间亦与工况1有所不同。缩短的钢制靶板间距将极大地影响弹体内引信结构处的结构过载响应。相关内容将在下文进行详细讨论。

如图11所示，为在HyperMesh中构建的工况2计算模型。

图11 工况2计算模型

采用类似的处理方式，将工况2模型递交LS-DYNA进行显式非线性求解。如图12-1，图12-2，图12-3及图12-4所示，为工况2弹体侵彻各层靶板的瞬间形态。

图12-1 工况2 侵彻过程

图12-2 工况2侵彻过程

图12-3 工况2侵彻过程

图12-4 工况2侵彻过程

在LS-PrePost中对计算获得的过载信号进行后处理。与此前进行的工况1的仿真计算结果类似，工况2的计算结果中，引信位置检测到的过载响应信号，其从形态上看可以显著的分为两种类型，即冲击各层靶板瞬间引入的尖峰过载信号，以及弹体结构在各层靶板之间自由飞行时，其内部由应力波振荡引起的引信位置的结构响应过载信号，且检测过载信号可以发现，冲击靶板尖峰时刻的过载信号幅值，其各组最大值均明显大于振荡期间检测到的过载信号幅值。

图13 工况2引信位置过载信号监测结果

在未经滤波的情况下，遍历时间历程数据结果可知，其最大过载约为244000 m/s²，约为24900g左右。注意到过载数据与此前的工况1中的过载数据有一定的区别，这一峰值过载数据的差异的主要来源是过载信号中叠加了引信体结构响应造成的。

若以未经滤波的过载信号作为穿层过靶计数的依据，查看时间历程结果可知，可以以10000g作为是否击中钢制靶板的计层依据。

对图13中的过载信号，参考此前的引信模态分析结果，以2000Hz作为低通滤波阈值，滤波后的曲线如图14所示。可以看到滤波后的曲线仍能近似表征出穿靶时刻高过载峰值的特性。在硬件电路实时信号处理有保障的前提下，也可以选择滤波后的过载信号作为穿层计数的依据。

图14 工况2引信位置过载信号监测结果 2000Hz阈值低通滤波

3. 工况3仿真结果

工况3考察了同一实验弹体对钢筋混凝土靶板的侵彻过程。如图15所示，为在HyperMesh中构建的计算模型。靶板间距为1.5m，其中第一层靶板略厚，为300mm，其他三层靶板较薄，为180mm。

图 15 工况3计算模型

如图16-1，图16-2，图16-3及图16-4所示，分别为实验弹体击穿各层靶板的过靶瞬间。约7000微秒左右，弹体完成对整个靶板系统的侵彻。

图16-1 工况3靶板侵彻

图16-2 工况3靶板侵彻

图16-3 工况3靶板侵彻

图16-4 工况3靶板侵彻

在LS-PrePost中对过载信号进行后处理。如图17所示，为侵彻过程中检测到的引信位置过载信号。经内部灌封及结构刚度特性优化设计的引信，其可以清晰地捕捉到穿层过载信息。在钢筋混凝土靶板侵彻过程中，以20000g作为临界点，当侵彻过载幅值在约500微秒的时间范围内连续多次触及20000g，并逼近30000g峰值时，即可判定弹体结构击穿了靶板结构，进行一次计数。

图17 工况3引信位置过载信号