何 俊

基于ANSYS/LS-DYNA的鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶數(shù)值研究

何 俊

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽，蕪湖241000 ）

采用ANSYS/LS-DYNA軟件，對某鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬了鉆地戰(zhàn)斗部在給定的初速與起爆時(shí)間下侵徹并毀傷混凝土靶板的過程，得出整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置在戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處；鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板后不同的起爆時(shí)間對混凝土靶板的毀傷效果差異不大。

鉆地戰(zhàn)斗部；ANSYS/LS-DYNA；混凝土靶；侵徹；數(shù)值模擬

混凝土是一種非常重要的建筑材料，在全球已被廣泛應(yīng)用于各種軍事領(lǐng)域。據(jù)估計(jì)，目前世界上有近萬處隱藏在地下的軍事設(shè)施，其中一千余處是具有戰(zhàn)略意義的洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、指揮與控制中心、生化武器生產(chǎn)與存儲(chǔ)設(shè)施等[1]。鉆地戰(zhàn)斗部即人們常說的鉆地彈[2-6]，它是對堅(jiān)固地下工程和地下戰(zhàn)略導(dǎo)彈基地等重要軍事設(shè)施實(shí)施精確致命打擊的最主要的武器。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、北約對伊拉克的戰(zhàn)爭中，以及對阿富汗塔利班基地組織進(jìn)行的軍事行動(dòng)中，鉆地彈對于敵方地下深層目標(biāo)的摧毀顯示出巨大的威力。故而，鉆地戰(zhàn)斗部對混凝土靶侵徹的研究受到世界各國的廣泛重視[7]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及計(jì)算力學(xué)理論的日趨完善，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究彈體侵徹問題的主要手段[8]。數(shù)值方法不僅可以得出侵徹過程中各個(gè)參數(shù)的變化，并以圖形方式輸出彈與靶之間相互作用的狀態(tài)；而且，利用模擬程序可以有針對性的選擇不同的參數(shù)進(jìn)行試算，找出該參數(shù)對侵徹與毀傷結(jié)果的影響大小[9]。本文應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬鉆地戰(zhàn)斗部侵徹并毀傷混凝土靶板的過程，并且對于模擬結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

2　數(shù)值分析

2.1　鉆地戰(zhàn)斗部與混凝土的結(jié)構(gòu)

鉆地戰(zhàn)斗部殼體材料為鋼，為了取得較好的模擬效果，選取的鉆地戰(zhàn)斗部頭部為鈍形，其頭部小端直徑4.4 cm，頭部高42.1 cm，彈體直徑25.4 cm，殼體壁厚3.6 cm，殼體底厚8 cm，彈長152.4 cm，長徑比為6，裝藥部長94.3 cm，直徑18.2 cm，裝藥密度1.78 g/cm3，形狀如圖1所示。

圖1 鉆地戰(zhàn)斗部形狀

戰(zhàn)斗部殼體采用(*MAT_JOHNSON_COOK)模型，其屈服應(yīng)力的表達(dá)式為：

式中，為即時(shí)溫度，0為室溫，T為金屬熔化溫度。

戰(zhàn)斗部裝藥使用TNT炸藥，采用(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模型和JWL狀態(tài)方程來共同描述炸藥材料的能量釋放過程。

混凝土靶板采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)，靶厚為396 cm，密度2.65 g/cm3?；炷磷鳛橐环N典型的非連續(xù)各向異性的脆性材料，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靶板在戰(zhàn)斗部侵徹過程和起爆的作用下，將發(fā)生斷裂、破碎和飛散。本文混凝土靶板采用各向同性彈塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，該模型將體積響應(yīng)和偏量響應(yīng)解耦，偏量響應(yīng)具有壓力依賴屈服面的彈性一理想塑性，體積響應(yīng)允許非線性壓實(shí)，帶有由拉伸截?cái)喽x破壞的非線性壓實(shí)[10]。本構(gòu)模型采用米塞斯屈服準(zhǔn)則，破壞準(zhǔn)則采用有效塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則。

2.2 建立模型

根據(jù)設(shè)定的模型尺寸，設(shè)計(jì)好本模型需要的16個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，本模型的坐標(biāo)依次為1（0，0）、2（4.2，0）、3（0，42.1）、4（12.7，42.1）、5（0，50.1）、6（9.1，50.1）、7（12.7，50.1）、8（0，144.4）、9（9.1，144.4）、10（12.7，144.4）、11（0，152.4）、12（12.7，152.4）、13（0，-5）、14（198，-5）、15（0，-401）、16（198，-401）。在建模時(shí)，首先依次輸入16個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后把各個(gè)坐標(biāo)連成線，生成鉆地戰(zhàn)斗部與混凝土靶板模型的輪廓，再利用這些線生成戰(zhàn)斗部與靶板模型的面，如圖2所示。隨后對同一種材料的面使用布朗運(yùn)算進(jìn)行粘貼，最后使用MeshTool面板為模型劃分單元網(wǎng)格。

戰(zhàn)斗部與裝藥部以及混凝土靶板網(wǎng)格劃分均采用四邊形Lagrange網(wǎng)格。計(jì)算模型使用二維實(shí)體solid162單元進(jìn)行劃分，采用軸對稱法（Y軸為對稱軸）。彈丸與靶板接觸采用*CONTACT_2D_ AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法，在靶板邊界處設(shè)置全約束。

圖2 計(jì)算模型的面

2.3 模擬結(jié)果

本次采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬設(shè)定鉆地戰(zhàn)斗部初始速度為600 m/s，起爆時(shí)間為4 ms。圖3給出戰(zhàn)斗部各時(shí)刻的徑向速度，戰(zhàn)斗部殼體在4 ms裝藥起爆前徑向方向上是穩(wěn)定的，速度基本為0；在裝藥起爆后在其徑向方向速度迅速上升，并在瞬間達(dá)到了最大值后而馬上回落，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但隨后快速趨于穩(wěn)定，回到裝藥起爆前的狀態(tài)。

圖3 戰(zhàn)斗部徑向時(shí)程曲線

圖4 戰(zhàn)斗部軸向時(shí)程曲線

圖4給出戰(zhàn)斗部各時(shí)刻的軸向速度。從頭部侵入到混凝土開始至戰(zhàn)斗部裝藥起爆前，鉆地戰(zhàn)斗部在軸向方向上的速度穩(wěn)定下降，其速度降幾乎與戰(zhàn)斗部侵入時(shí)間成正比。在戰(zhàn)斗部裝藥起爆后，戰(zhàn)斗部軸向方向速度出現(xiàn)波動(dòng)，戰(zhàn)斗部速度在軸向負(fù)方向上瞬間有小幅度提高，而隨即便大幅度的下降，之后戰(zhàn)斗部軸向方向速度又像戰(zhàn)斗部侵入混凝土至起爆前的狀態(tài)，逐步穩(wěn)定的下降。

圖5和圖6分別給出0.1 ms、1 ms、2.5 ms、4.3 ms四個(gè)時(shí)刻戰(zhàn)斗部與靶板的Von Mises應(yīng)力圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間為0.1 ms時(shí)，此時(shí)是鉆地戰(zhàn)斗部在混凝土靶板上進(jìn)行開坑的階段，應(yīng)力主要集中在鉆地戰(zhàn)斗部的頭部及靶板與之接觸位置。鉆地戰(zhàn)斗部頭部與混凝土靶板接觸處發(fā)生輕微塑性變形。在時(shí)間為1 ms時(shí)，鉆地戰(zhàn)斗部頭部完全侵入混凝土靶板中，此時(shí)在鉆地戰(zhàn)斗部殼體上都有應(yīng)力分布，而應(yīng)力集中出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部殼體位置處，鉆地戰(zhàn)斗部頭部的形狀在混凝土的阻力下繼續(xù)改變；與此同時(shí)，混凝土靶上的應(yīng)力集中出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部的壓縮混凝土方向的前部，此位置的混凝土被鉆地戰(zhàn)斗部頭部壓碎破壞。在時(shí)間為2.5 ms時(shí)，此時(shí)整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板中，這時(shí)鉆地戰(zhàn)斗部殼體上也都有應(yīng)力分布，并且與1 ms時(shí)刻一樣，應(yīng)力集中仍然在鉆地戰(zhàn)斗部頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部殼體位置處，并且鉆地戰(zhàn)斗部頭部的塑性變形更加嚴(yán)重；與之相應(yīng)的混凝土靶上的應(yīng)力較為集中位置亦是在鉆地戰(zhàn)斗部頭部的壓縮混凝土方向的前部，鉆地戰(zhàn)斗部頭部繼續(xù)壓縮破壞其前方的混凝土。在時(shí)間為4.3 ms時(shí)，由于鉆地戰(zhàn)斗部裝藥在4 ms時(shí)刻起爆，裝藥爆炸釋放的能量以力的形式作用在鉆地戰(zhàn)斗部殼體上。所以這時(shí)在整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部殼體上都出現(xiàn)了較大的的應(yīng)力集中，不僅鉆地戰(zhàn)斗部頭部的塑性變形更加劇烈，而且戰(zhàn)斗部殼體在徑向出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。而此時(shí)的靶板的應(yīng)力分布在以鉆地戰(zhàn)斗部為中心的區(qū)域內(nèi)，并且離鉆地戰(zhàn)斗部越近，應(yīng)力分布越集中。

就整個(gè)侵徹階段而言，鉆地戰(zhàn)斗部的應(yīng)力集中出現(xiàn)在頭部與頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處，即這兩處是整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部最易產(chǎn)生塑性變形的位置。但因?yàn)殂@地戰(zhàn)斗部的頭部在侵徹混凝土靶板過程中產(chǎn)生塑性形變不可避免，而且鉆地戰(zhàn)斗部頭部為實(shí)心部，已為塑性變形做準(zhǔn)備，所以整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置在戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處。整個(gè)過程中，靶板應(yīng)力從鉆地戰(zhàn)斗部侵入混凝土靶板階段便產(chǎn)生，在鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土階段中，混凝土靶板與鉆地戰(zhàn)斗部接觸的區(qū)域都有應(yīng)力分布，而混凝土靶板承受的集中應(yīng)力多出現(xiàn)在鉆地戰(zhàn)斗部頭部對混凝土的侵徹壓縮的區(qū)域內(nèi)；在鉆地戰(zhàn)斗部起爆后，鉆地戰(zhàn)斗部裝藥的能量對戰(zhàn)斗部殼體施加力，戰(zhàn)斗部殼體也對混凝土靶板產(chǎn)生力的作用，所以裝藥起爆后靶板的集中應(yīng)力分布在與鉆地戰(zhàn)斗部接觸的四周位置，并以應(yīng)力波的形式呈球形向外圍擴(kuò)展，距離球心越近，其應(yīng)力越大。

鉆地戰(zhàn)斗部最終目的就是毀傷混凝土，對混凝土靶板造成破壞。本文分別設(shè)定裝藥部起爆時(shí)間分別為1 ms、2 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms，使用LS-PREPOST后處理程序分離出不同裝藥起爆時(shí)間后被爆炸破壞混凝土靶板，如圖7所示。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)起爆時(shí)間過早時(shí)，鉆地戰(zhàn)斗部沒有完全侵入混凝土靶板中，戰(zhàn)斗部裝藥爆炸的能量一部分被釋放到外界而非混凝土靶板中，這時(shí)混凝土靶板被爆炸毀傷的面積就沒有鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板中爆炸毀傷的面積大；而當(dāng)鉆地戰(zhàn)斗部完全侵入混凝土靶板后，起爆戰(zhàn)斗部裝藥的時(shí)間對混凝土靶的毀傷面積沒有太大的差異。所以當(dāng)戰(zhàn)斗部徹底侵入混凝土靶板后，戰(zhàn)斗部裝藥在何時(shí)起爆可根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)定。

圖5 不同時(shí)刻戰(zhàn)斗部應(yīng)力分布

圖6 不同時(shí)刻混凝土靶應(yīng)力分布

3　結(jié)論

通過本次模擬得到如下結(jié)論

（1）鉆地戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶與裝藥起爆前，徑向方向是穩(wěn)定的，阻力主要來自軸向，且軸向速度穩(wěn)定下降，與時(shí)間幾乎成正比，起爆后徑向與軸向速度都有較大波動(dòng)，之后很快趨于穩(wěn)定，回到起爆前的狀態(tài)。

（2）通過本次模擬，得到了戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶開坑、傾入、起爆過程中彈與靶的應(yīng)力分布，整個(gè)鉆地戰(zhàn)斗部的最薄弱位置位于戰(zhàn)斗部頭部后端的戰(zhàn)斗部薄殼體位置處。

（3）當(dāng)戰(zhàn)斗部徹底侵入混凝土靶板后，無論是在多大的侵徹深度起爆戰(zhàn)斗部裝藥，其對混凝土靶板的毀傷效果并無明顯差別，由此戰(zhàn)斗部裝藥在何時(shí)起爆可根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)定。

本次模擬研究的結(jié)論可以為動(dòng)能鉆地戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供一定的參考，也可以為地下防護(hù)工程的設(shè)計(jì)提供幫助。

圖7 不同時(shí)刻起爆對靶板的破壞效果

[1] 張學(xué)倫,曾燚.鉆地戰(zhàn)斗部與地下目標(biāo)毀傷關(guān)系的分析[J].四川兵工學(xué)報(bào),2008,29(3): 6-8.

[2] 劉永遠(yuǎn),姜正平,張進(jìn).鉆地彈及其發(fā)展趨勢[J].飛航導(dǎo)彈,2006(3):34-37.

[3] 梁斌,陳小偉,姬永強(qiáng),等. 先進(jìn)鉆地彈概念彈的次口徑高速深侵徹實(shí)驗(yàn)研究[J]. 爆炸與沖擊,2008,28(1):1-9.

[4] 周燕.鉆地彈土中彈道影響因素的數(shù)值模擬研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2009.

[5] 何麗靈,陳小偉,范瑛.先進(jìn)鉆地彈高速侵徹實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量磨蝕金相分析[J].爆炸與沖擊,2012,32(5):515-522.

[6] 郭錦炎,阮文俊,張丁山,等.半無限厚混凝土靶侵徹?fù)p傷的實(shí)驗(yàn)與仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2012,32(3): 103-106.

[7] 姚鵬,徐波,高有濤.高速及超高速鉆地彈侵徹土壤深度及軌跡的研究[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2013,27(6):521-528.

[8] 何雨.長桿彈撞擊下金屬靶板侵徹與穿透的進(jìn)一步研究[D].合肥:中國科技大學(xué),2013.

[9] 鄭振華,余文力,王濤.鉆地彈侵徹高強(qiáng)度混凝土靶的數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008,28(3): 143-146.

[10] 周培毅,李世才，姚劍虹.鉆地彈侵徹混凝土靶的數(shù)值分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(增):357-361.

NUMERICAL SIMULATION OF EPW PENETRATING CONCRETE TARGET BY ANSYS/LS-DYNA

HE Jun

(Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000, China)

The numerical simulations of EPW penetrating concrete target were completed by ANSYS/LS-DYNA. We mainly simulate the process of burrow warheads in given velocity and initiating time chester and mutilate concrete target invasion. The simulation concludes the weakest position of EPW is located at the warhead thin shell in the rear of the warhead head. After EPW completely invades concrete target board, the destructive effect on the target board is so little difference at different initiation time.

ANSYS/LS-DYNA；concrete target；penetration；numerical simulation

TJ760.3+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.019

1674-8085(2014)03-0081-05

2014-03-17；

2014-04-15

何俊（1978－），男，安徽旌德人，講師，碩士生，主要從事動(dòng)力學(xué)仿真研究(Email: ahjdhj@126.com).