■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.