山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　孫國慶　張國偉　喬磊

破甲彈戰(zhàn)斗部侵徹高速運(yùn)動靶板的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院孫國慶張國偉喬磊

由于國內(nèi)外有關(guān)破甲彈對運(yùn)動體侵徹課題研究很少，可借鑒的資源有限。本文主要使用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對破甲彈戰(zhàn)斗部侵徹運(yùn)動靶板進(jìn)行仿真，得出了入射角和運(yùn)動體速度對侵徹射流影響的一般性規(guī)律，為今后實驗研究打下基礎(chǔ)。

破甲彈；運(yùn)動靶板；有限元；數(shù)值模擬

引言

靶板運(yùn)動速度對射流破甲威力的影響主要表現(xiàn)在靶板對射流的橫向剪切力矩。相對于靜止靶板，運(yùn)動靶板的剪切力矩會使射流發(fā)生嚴(yán)重的彎曲、偏轉(zhuǎn)、變形，導(dǎo)致射流的斷裂和分散。隨著靶板速度的增加，靶板剪切力矩的影響也逐漸增大，干擾影響也趨于明顯，射流變形越劇烈，對其后續(xù)侵徹能力也將產(chǎn)生較大的影響［1］。運(yùn)動靶板對射流的干擾影響還體現(xiàn)在對射流能量的無效消耗上。靜止靶板的侵徹，射流只在軸向方向上侵徹消耗能量，形成筆直的侵徹孔；而運(yùn)動靶板的侵徹，射流還要在靶板橫向作用，浪費(fèi)射流能量，擴(kuò)大侵徹孔徑，形成上粗下窄的傾斜的侵徹孔。隨著靶板運(yùn)動速度的增加，傾斜孔徑越大，消耗射流能力越大［2］。

1　計算模型

將靶板速度取為 400m/s、600m/s、800m/s三種情況分別進(jìn)行動態(tài)斜侵徹分析仿真計算。戰(zhàn)斗部幾何模型如圖1所示。標(biāo)靶板五種材料的破甲戰(zhàn)斗部有限元模型，調(diào)整適宜的網(wǎng)格密度，設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪吔缂s束（空氣域無反射邊界約束），使用正確的算法（ALE算法），確保計算結(jié)果準(zhǔn)確。求解計算時的單位為cm-g-μs-Mbar。

圖1　戰(zhàn)斗部示意圖建立藥型罩、主裝藥、殼體、空氣和目

考慮到靶板的運(yùn)動情況特意將靶板偏離藥型罩，以保證在整個侵徹過程中，射流盡可能地作用于靶板的中部，避免受到邊界效應(yīng)的影響，這也是建模時確定靶板尺寸的依據(jù)［3］。考慮到戰(zhàn)斗部和目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)的軸對稱性，簡化模型為二分之一模型，主裝藥、藥型罩和空氣設(shè)置多物質(zhì)ALE算法，采用Euler網(wǎng)格建模，靶板和殼體采用Lagrange網(wǎng)格建模，并且各材料之間使用耦合算法。

2　數(shù)值模擬

圖2、圖3、圖4分別是靶板速度為v=400m/s，v=600m/s，v=800m/s時不同時刻射流侵徹過程圖。

圖2　v=400m/s時不同時刻射流侵徹過程

圖3　v=600m/s時不同時刻射流侵徹過程

圖4　v=800m/s時不同時刻射流侵徹過程

3　結(jié)果分析

運(yùn)動靶板對射流侵徹體的影響，主要表現(xiàn)在其對射流侵徹體的橫向擾動作用，使射流侵徹體彎曲和失穩(wěn)，從而降低破甲能力。從圖2中，我們可以很明顯地看出射流侵徹過程中，由于受運(yùn)動靶板的橫向擾動干擾射流變形彎曲，并在侵徹孔內(nèi)左右擺動。為了更細(xì)致地分析各射流段受橫向干擾的影響，特將射流的侵徹過程分為三個階段。在射流侵徹的初始階段，即射流與靶板側(cè)壁接觸前，射流頭部幾乎沒有彎曲變形，說明射流頭部具有較高的速度，抗干擾能力相對較強(qiáng)，如圖2中96μs以前；在射流開始出現(xiàn)彎曲變形階段，即射流受到靶板的橫向擾動開始彎曲，射流頭部高速段和較高速段同時受到干擾變形彎曲，其產(chǎn)生的影響大小也因為射流段不同而不同，射流頭部影響變形較小，射流中段影響變形較大，這說明速度越低對干擾越敏感，如圖2中108μs左右；在射流侵徹震蕩階段，即射流在侵徹孔內(nèi)碰撞，射流不斷受到靶板的橫向干擾彎曲變形更劇烈、更復(fù)雜，并在侵徹孔左右側(cè)擺動，如圖2中108μs以后。

運(yùn)動靶板速度v=600m/s和v=800m/s時，對于同一種射流的侵徹過程，射流彎曲變形情況大致相同，如圖3和圖4所示。第一階段，射流幾乎沒有變形；第二階段，射流彎曲變形都發(fā)生在射流的中部低速段；第三階段，射流震蕩向下侵徹。從以上分析可以得出，運(yùn)動靶板對射流的影響主要體現(xiàn)在對射流中部低速段的橫向干擾，速度越低干擾越大，經(jīng)過干擾后的射流作用于射流高速段頭部，進(jìn)而影響射流侵徹。

4　結(jié)論

與侵徹靜止和相對靜止靶板相比，射流侵徹運(yùn)動靶板時的主要區(qū)別在于射流具有了一定的徑向速度vjx。射流徑向速度vjx的干擾作用主要體現(xiàn)在：其大小的變化和方向的無序性導(dǎo)致射流不同部位受到的干擾方向不同，加大了對射流的影響，最終導(dǎo)致射流容易彎曲甚至斷裂。

［1］周權(quán).聚能裝藥破甲侵徹深度與穿孔直徑多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2007.

［2］隋樹元，王樹山.終點效應(yīng)學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000：196-232.

［3］耿世才.小口徑破甲彈的研究［D］.南京理工大學(xué)碩士論文.2010：5-15.自適應(yīng)問題，需要對管道機(jī)器人通過彎管的情況進(jìn)行仿真分析。假定彎管機(jī)器人重心位置為幾何中心，則對彎管設(shè)定路徑配合，其重心會沿管道重心軸線運(yùn)動，對管壁施加壓力的方向上的偏航控制為10mm。最后，檢查運(yùn)動干涉，確定運(yùn)動中無過定義和欠定義的情況發(fā)生。

3　運(yùn)動學(xué)仿真分析

本部分針對彎管的曲率半徑和通過速度對機(jī)器人彎管的通過性影響進(jìn)行運(yùn)動仿真。在管道機(jī)器人通過彎管時，彎管的曲率半徑和機(jī)器人的通過速度對通過性和運(yùn)動的穩(wěn)定性有著重要影響。

由理論分析可知，曲率半徑越大運(yùn)動速度越快其通過性和穩(wěn)定性越好。由于機(jī)器人在通過彎管時處于支撐裝置內(nèi)的壓縮彈簧長度會受重力、離心力以及摩擦力等外界因素的影響。所以支撐輪上的壓縮彈簧在通過彎管時的線性位移變化，會在一定程度上反映機(jī)器人通過彎管的平穩(wěn)性［7］。

分別設(shè)定路徑配合馬達(dá)以50mm/s、100mm/s兩種速度等速運(yùn)動，通過曲率半徑R為350mm的管道和以50mm/s、100mm/s兩種速度等速運(yùn)動，通過曲率半徑R為500mm的管道，進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，并將仿真結(jié)果通過MATLAB編制函數(shù)進(jìn)行處理［8］，最終處理結(jié)果如圖3所示。

圖3　彎管仿真示意圖

對比圖3（a）、（b）中的數(shù)據(jù)可以得出，在以較低速度通過彎管時，其線性位移幅值變化范圍較小，運(yùn)動平穩(wěn)性較好，所受沖擊載荷較為均勻。對比圖3（c）、（d）可以得出，在以較大曲率半徑通過彎管時，其支撐輪上的線性速度和線性加速度幅值變化較小，運(yùn)動平穩(wěn)性較好，所受沖擊載荷較為均勻。

4　總結(jié)

通過本次仿真結(jié)果可以看出，支撐輪上的壓縮彈簧的預(yù)緊狀態(tài)對彎管機(jī)器人的運(yùn)動平穩(wěn)性和對彎管的通過性有著重要的影響。通過對彎管的運(yùn)動仿真，驗證了本次設(shè)計的管道機(jī)器人在較小曲率半徑為350mm和較小驅(qū)動速度為50mm/s下具有良好的通過性和平穩(wěn)性，能夠更好地適應(yīng)彎管中的運(yùn)動。

本次設(shè)計的motion運(yùn)動環(huán)境下彎管機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型為原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)，也為管道機(jī)器人的應(yīng)用研究提供了數(shù)據(jù)支持。

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