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        動能彈對金屬靶板侵徹的數(shù)值模擬分析

        2011-06-15 02:00:44楊博瀚申海峰宗冬冬
        群文天地 2011年24期
        關(guān)鍵詞:分析

        ■楊博瀚 井 晶 申海峰 宗冬冬

        高速彈丸對結(jié)構(gòu)的侵徹問題一直受到軍事部門的關(guān)注,數(shù)值模擬因其經(jīng)濟性和高效性日益成為侵徹問題的重要研究手段,可以節(jié)省試驗的巨大投入,描述和動態(tài)顯示問題的整個過程。文章將簡約介紹顯式分析程序ANSYS/LS-DYNA,并利用其程序軟件進行侵徹問題的具體實現(xiàn)方法。

        一、ANSYS/LS-DYNA軟件簡介

        ANSYS軟件是國際著名的大型結(jié)構(gòu)分析FEA程序,作為融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,ANSYS對于求解熱-結(jié)構(gòu)耦合、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱耦合等多物理場耦合問題具有其他軟件不可比的優(yōu)勢。LS-DYNA作為顯式瞬態(tài)動力分析的權(quán)威軟件,是LSTC公司的核心產(chǎn)品。1997年ANSYS公司為彌補自身在非線性領(lǐng)域的不足,與LSTC公司攜手合作。ANSYS公司開發(fā)的針對LS-DYNA的前后處理器,秉承了ANSYS的傳統(tǒng),熟悉ANSYS的用戶用起來比較熟悉,特別是可以用APDL編寫命令流,同時大大加強了LS-DYNA的前后處理功能和通用性一個完整的ANSYS/LS-DYNA顯式動力分析過程包括前處理、求解以及后處理三個基本操作環(huán)節(jié):

        1、前處理——建立分析模型

        指定分析所用的單元類型并定義實常數(shù)(如梁單元的截面積),指定材料模型,建立幾何模型,進行網(wǎng)格劃分,形成有限單元模型,定義與分析有關(guān)的接觸信息、邊界條件與載荷等,利用ANSYS的前處理器PREP7完成。

        2、分析選項設(shè)置及求解

        制定分析的結(jié)束時間以及各種求解控制參數(shù),形成關(guān)鍵字(LS-DYNA計算程序的數(shù)據(jù)輸入文件),遞交LS-DYNA970求解器進行計算。

        3、結(jié)果后處理與分析

        對計算的結(jié)果數(shù)據(jù)進行可視化處理和相關(guān)分析,可以利用ANSYS的通用后處理器POST1和時間歷程后處理器POST26完成,必要時也可調(diào)用LS-POST后處理器程序進行結(jié)果后處理。

        二、ANSYS/LS-DYNA模擬侵徹問題的一般方法

        侵徹問題屬于高速沖擊動力學(xué)的研究范疇,其過程具有高速、高溫、高壓等基本特征。因為加載速率高、變形和速度大、接觸物體間的侵徹貫入作用,在高速碰撞過程中材料內(nèi)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率及絕熱溫升效應(yīng),甚至發(fā)生相變。

        利用ANSYS/LS-DYNA模擬侵徹問題時,可采用Lagrange方法,也可采用ALE方法,對于彈丸垂直入射靶板的問題,可考慮建立軸對稱的分析模型,進行簡化分析。

        侵徹問題的分析對網(wǎng)格的劃分有較高的要求,網(wǎng)格的劃分方案、形態(tài)及粗密程度都將對分析結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響,在一般情況下,分析侵徹過程是網(wǎng)格的劃分應(yīng)當(dāng)注意如下問題:

        (1)由于侵徹問題的高壓和大變形效應(yīng)具有局部性,即僅限于彈丸與靶板接觸位置附近的區(qū)域內(nèi),因此劃分單元時有必要對這一區(qū)域采用較密的網(wǎng)格,在接觸位置一定距離的遠(yuǎn)處則可以采用相對較粗的網(wǎng)格劃分。

        (2)為了實現(xiàn)上述網(wǎng)格劃分方案,有必要對靶板進行體積切分,然后分塊指定其網(wǎng)格劃分的線段等分?jǐn)?shù)。

        (3)網(wǎng)格劃分易盡量采用映射劃分法,對兩維分析劃分為四邊形單元,對三維分析劃分為六面體單元。

        由于侵徹問題屬于大變形、高壓和高應(yīng)變率的問題,因此對這類問題的數(shù)值模擬,采用合理材料分析模型是重要的前提條件。在ANSYS/LS-DYNA中帶有斷裂失效的Johnson-Cook塑性材料模型,可用來建立侵徹問題的分析模型。由于碰撞過程很短暫,而把它作為絕熱過程看待,并以六面體單元動態(tài)的模擬碰撞沖擊過程。此外,由于高速碰撞發(fā)生,在材料內(nèi)部產(chǎn)生沖擊波,這種沖擊波在材料內(nèi)部形成壓力、密度、能量和質(zhì)點加速度的間斷點,使微分方程產(chǎn)生奇異點。因此,需要在計算中引入人工體積粘性來修正靜水壓力項。加入人工體積粘性項,可使得沖擊波的強間斷平化為在相當(dāng)窄的區(qū)域內(nèi)急劇變化但卻是連續(xù)變化的情況。相應(yīng)的選項設(shè)置可在ANSYS/LSDYNA中,通過菜單項MainMenu>Solution>AnalysisOption>BulkViscosity來調(diào)用。

        三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

        (一)問題描述

        一個頭部為半球形的圓柱金屬彈丸,半徑為1.3cm,長度3.9cm。金屬靶板尺寸均為100cm×100cm×0.6cm,靶板之間平行,相距3cm。彈丸以1300m/s的速度垂直撞擊金屬靶板中心,彈丸和靶板材料均為鋼,試計算彈丸貫穿靶板的變形過程并分析彈丸和靶板的破壞形態(tài)。

        這是典型的侵徹碰撞問題,彈丸初始速度較高,屬于高速撞擊范圍。彈丸尺寸與靶板尺寸相比要小得多,靶板遠(yuǎn)端受到彈丸的作用很小,可以認(rèn)為靶板是無限域。這種情況下,靶板可視為軸對稱體,由于彈丸也為軸對稱體,因此整個模型可以簡化為軸對稱問題。

        (二)二維數(shù)值模擬結(jié)果

        計算模型使用拉格朗日網(wǎng)格,用二維實體solid162單元進行劃分,采用軸對稱算法,對稱軸為Y軸。彈丸和靶板之間的接觸采用 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法,在靶板邊界處施加二維投射邊界,采用cm-g-μs建模。計算機數(shù)值模擬建模、計算和受力分析圖如下:

        四、結(jié)語

        數(shù)值模擬作為研究侵徹問題的一種手段,特別是ANSYS/LS-DYNA軟件的科學(xué)應(yīng)用,完善和補充了理論分析法和實物實驗法的不足之處,有力地推動了侵徹問題的研究。掌握好ANSYS/LS-DYNA軟件的應(yīng)用,在理解各種常用操作的含義和實現(xiàn)手段后,通過大量的典型事例練習(xí)可以提高動手能力,在實例學(xué)習(xí)的同時,操作技巧、實際計算能力得到了同步提高。

        [1]時黨勇,李裕春,張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

        [2]尚曉江,蘇建宇等.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

        [3]楊秀敏,鄧國強.數(shù)值模擬在防護工程中的應(yīng)用[M].防護工程,2003.

        [4]張勝民.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

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