史毛毛，曹紅松，李士利，劉鵬飛

（1．中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051；2．營口市雙龍射孔器材有限公司，遼寧 營口115000）

0 引 言

成型裝藥形成的聚能射流具有高溫、高速、侵徹能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油射孔彈及民用爆破工程等方面。聚能射流作為石油射孔彈的主要?dú)?，研究該問題主要方法有理論分析計(jì)算（工程計(jì)算）、科學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值仿真，而數(shù)值仿真已成為設(shè)計(jì)、科研的必要手段［1］，能更加清晰地分析聚能射流成型及侵徹靶板作用機(jī)理，對(duì)石油射孔彈的設(shè)計(jì)起到積極的指導(dǎo)作用。數(shù)值仿真技術(shù)的主流趨勢(shì)向著與CAD軟件集成、工作平臺(tái)多樣化和強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合開發(fā)等方向發(fā)展［2］。

研究聚能射流成型及侵徹?cái)?shù)值仿真的過程主要包括CAD軟件建模、前處理分析、優(yōu)化求解等，這個(gè)過程是一個(gè)需要復(fù)雜的建模和前處理過程，為縮短石油射孔彈產(chǎn)品研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)仿真水平質(zhì)量，射孔彈企業(yè)及科研院所都在致力于構(gòu)建完善的專用數(shù)字化平臺(tái)。在此背景下，針對(duì)聚能射流問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種石油射孔彈數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了石油射孔彈的三維參數(shù)化自動(dòng)建模、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程計(jì)算、自動(dòng)數(shù)值仿真等功能，為石油射孔彈設(shè)計(jì)人員提供了快捷、方便、具有良好交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1．1 需求分析與功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)軟件基于VC＋＋6．0編程工具實(shí)現(xiàn)，集成UG、ANSYS／LS－DYNA等軟件并實(shí)現(xiàn)可視化界面操作，利用聚能射流工程算法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算分析等相結(jié)合模式，為用戶提供成型裝藥設(shè)計(jì)中有關(guān)選型、參數(shù)設(shè)置修改、型號(hào)參數(shù)建議等功能。同時(shí)，建立相關(guān)聚能射流設(shè)計(jì)知識(shí)、專家知識(shí)、石油射孔型號(hào)參數(shù)、聚能射流形成及破甲過程的仿真知識(shí)等數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)庫管理功能，方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行查詢及參考。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要功能：在石油射孔彈設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了基于模板的參數(shù)化三維模型設(shè)計(jì)；在終點(diǎn)效應(yīng)仿真方面，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)的三維模型，實(shí)現(xiàn)了毀傷過程數(shù)值仿真的自動(dòng)建模及計(jì)算；設(shè)計(jì)與仿真模型共用，實(shí)現(xiàn)了成型裝藥的協(xié)同設(shè)計(jì)，軟件功能框圖見圖1。

圖1 石油射孔彈數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件功能框圖

1．2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)庫包含相關(guān)聚能射流設(shè)計(jì)知識(shí)、專家知識(shí)、仿真知識(shí)及石油射孔彈產(chǎn)品參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可進(jìn)行添加、刪除、修改等管理。設(shè)計(jì)、仿真、參數(shù)、報(bào)告等統(tǒng)一由底層數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)庫的主要功能是為各功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐［3－4］，設(shè)計(jì)人員在軟件平臺(tái)下可以方便地查詢并瀏覽射孔彈各型號(hào)下各部分（藥型罩、裝藥和彈體）的圖形數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)（材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等參數(shù)信息）及總體的仿真動(dòng)畫數(shù)據(jù)，并反饋信息指導(dǎo)再次參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)其添加、修改和刪除等操作。數(shù)據(jù)庫的訪問控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同標(biāo)識(shí)的用戶訪問資源權(quán)限（建立、撤銷、查詢、添加、修改、刪除等）的控制和對(duì)共享資源的保護(hù)。數(shù)據(jù)管理功能示意圖見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)管理功能示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

石油射孔彈數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件涉及到的主要技術(shù)有三維參數(shù)化自動(dòng)建模、初步毀傷計(jì)算及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)數(shù)值仿真、數(shù)據(jù)管理及知識(shí)庫等模塊的建立，其中關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)如下。

2．1 三維參數(shù)化自動(dòng)建模

三維參數(shù)化自動(dòng)建模模塊是通過UG軟件的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，由藥型罩參數(shù)化設(shè)計(jì)、彈體參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)裝配3部分組成。設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇三維參數(shù)化自動(dòng)建模模塊，程序?qū)⒎治鏊璧脑O(shè)計(jì)指標(biāo)，給出在現(xiàn)有型號(hào)的基礎(chǔ)上修改能達(dá)到此設(shè)計(jì)指標(biāo)的一系列方案，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)方案進(jìn)行選型。裝配模型還可以實(shí)現(xiàn)校核，自動(dòng)干涉檢查。例如，以通過修改底部內(nèi)徑Φ1、底部外徑Φ2、錐角α等參數(shù)改變藥型罩的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型罩的參數(shù)化設(shè)計(jì)（見圖3）。

從模型中得到圖形元中的關(guān)鍵點(diǎn)信息，通過APDL語言進(jìn)行數(shù)值仿真建模并通過批處理文件對(duì)自動(dòng)生成的K文件進(jìn)行求解，求解結(jié)束后調(diào)用后處理器進(jìn)行仿真結(jié)果的后處理。

2．2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

成型裝藥的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是一種以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用聚能破甲毀傷工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有結(jié)構(gòu)的成型裝藥產(chǎn)品進(jìn)行再創(chuàng)造。對(duì)于已知幾何外形的成型裝

圖3 藥型罩參數(shù)化設(shè)計(jì)

藥結(jié)構(gòu)，依據(jù)聚能射流的工程毀傷計(jì)算相關(guān)原理編譯相應(yīng)的求解程序；根據(jù)預(yù)達(dá)到的毀傷效果，對(duì)在一定范圍內(nèi)的參數(shù)通過二次序列法的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果。其優(yōu)化設(shè)計(jì)流程及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能模塊界面見圖4。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程及其功能模塊示意圖

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)與驗(yàn)證

3．1 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)案例

對(duì)參數(shù)范圍為藥型罩外口徑40～45mm，步長0．5mm，外錐角為40°～45°，步長0．5°，球頂寬度為2～3mm，裝藥高度為1．8倍外口徑（其他尺寸為從動(dòng)尺寸）的成型裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化自動(dòng)建模及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。

進(jìn)入平臺(tái)系統(tǒng)后，建立新的工程，調(diào)用平臺(tái)進(jìn)入三維參數(shù)化自動(dòng)建模功能模塊，建立藥型罩結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的裝藥和殼體（見圖5），以此為產(chǎn)品型號(hào)類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。調(diào)用數(shù)據(jù)庫對(duì)各材料參數(shù)進(jìn)行定義，選擇材料型號(hào)和毀傷靶板信息，進(jìn)行工程計(jì)算。其中，藥型罩為銅，炸藥為黑索今，殼體及靶板為45號(hào)鋼，進(jìn)入如圖4所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能模塊優(yōu)化計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果中幾種效果明顯高于其他方案的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選總結(jié)并調(diào)用平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果見表1。

圖5 自動(dòng)建模及自動(dòng)生成仿真模型

利用設(shè)計(jì)的平臺(tái)通過工程計(jì)算并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選，在所選定參數(shù)范圍內(nèi)，外錐角為45°、內(nèi)錐角為44°的結(jié)果組的穿深和孔徑相對(duì)于其他組參數(shù)而言是最優(yōu)解組。由表1結(jié)果比較可以看出，利用平臺(tái)自動(dòng)建模及仿真得到的結(jié)果與理論上的工程計(jì)算結(jié)果差異最大的為5．53%，平臺(tái)得到的仿真結(jié)果在工程上可以接受。

3．2 平臺(tái)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義，對(duì)表1中破甲深度及孔徑最大的一組解，即外錐角為45°，內(nèi)錐角為44°，藥型罩外徑為44．5mm，內(nèi)徑為42．5mm，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖6為試驗(yàn)裝置及部分試驗(yàn)結(jié)果圖，表2為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

驗(yàn)證試驗(yàn)一共進(jìn)行了5發(fā)彈試驗(yàn)。由表2可知，平均破甲深度為215．4mm，應(yīng)用平臺(tái)得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差4．45%，平均孔徑為12．28mm。應(yīng)用平臺(tái)得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差0．7%，試驗(yàn)結(jié)果與文中設(shè)計(jì)的平臺(tái)基本一致，驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性及可行性。

表1 優(yōu)選計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

圖6 試驗(yàn)裝置及部分結(jié)果圖

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）石油射孔彈數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了包括外掛CAD、CAE軟件、聚能射流的工程計(jì)算、正交優(yōu)化計(jì)算、毀傷效能評(píng)估、數(shù)值計(jì)算、數(shù)值仿真自動(dòng)建模等功能模塊在內(nèi)的建立。

（2）在集成環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)成型裝藥結(jié)構(gòu)藥型罩、殼體、裝藥等結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，自動(dòng)計(jì)算和獲取毀傷元模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（3）通過對(duì)聚能射流毀傷的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程中的每一過程參數(shù)的關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)傳遞和分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的自動(dòng)運(yùn)行、幾何模型預(yù)覽、分析仿真結(jié)果的可視化。

（4）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對(duì)平臺(tái)內(nèi)各功能模塊的數(shù)據(jù)支撐，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)資料的調(diào)用、查詢與瀏覽，提高設(shè)計(jì)效率。

通過對(duì)石油射孔彈數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的研究，完成了其參數(shù)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、終點(diǎn)效應(yīng)仿真等功能模塊的開發(fā)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)的結(jié)果。結(jié)果表明，應(yīng)用平臺(tái)對(duì)射孔彈技術(shù)研究是可行的，平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)果可為進(jìn)一步設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

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