王 慶，趙捍東，趙鵬鐸，張曉東，李 營(yíng),3

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 武漢 430063)

破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)

王 慶1,2，趙捍東1，趙鵬鐸2，張曉東1，李 營(yíng)2,3

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 武漢 430063)

針對(duì)傳統(tǒng)破甲彈研發(fā)周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)大等問題，基于多種CAD/CAE軟件，在開發(fā)平臺(tái)上構(gòu)建了破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，使之能夠完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、自動(dòng)建模和仿真分析等功能；實(shí)例解析表明：該系統(tǒng)在破甲彈設(shè)計(jì)開發(fā)中操作簡(jiǎn)便、人性實(shí)用，對(duì)破甲彈及其他彈藥的研發(fā)有一定指導(dǎo)意義。

破甲彈；數(shù)字化設(shè)計(jì)；仿真；二次開發(fā)；聚能戰(zhàn)斗部

破甲彈在以往反坦克、反裝甲作戰(zhàn)中扮演了重要的殺傷角色，但隨著武器裝備高新技術(shù)的不斷發(fā)展，比如復(fù)合裝甲、貧鈾裝甲、反應(yīng)裝甲和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的出現(xiàn)[1]，傳統(tǒng)破甲彈的優(yōu)點(diǎn)受到壓制。基于聚能裝藥[2]反裝甲過程中的諸多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)代戰(zhàn)爭(zhēng)中破甲彈的地位仍然不可取代，因此新型破甲彈的研發(fā)和研制迫在眉睫。

安二峰等[3]對(duì)破甲彈的應(yīng)用研究主要集中在裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，未能將整體結(jié)構(gòu)與戰(zhàn)斗部參數(shù)結(jié)合考慮，試驗(yàn)包含大量不理想數(shù)據(jù)，耗費(fèi)比高。梅小寧等[4]證明了UG二次開發(fā)在參數(shù)化建模中具有可行性和有效性，可以用于CAE系統(tǒng)或多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化體系。孫樂等[5]和王國(guó)輝[6]等通過數(shù)值模擬方法研究了破甲彈的侵徹效應(yīng)，為破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算起到了指導(dǎo)作用。智能化設(shè)計(jì)技術(shù)在常規(guī)彈藥破甲彈研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)編程、參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬仿真等技術(shù)大量應(yīng)用于破甲彈的數(shù)字化設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，必將極大地促進(jìn)武器裝備技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于Visual Studio開發(fā)平臺(tái)，通過編程對(duì)AUTOCAD、UG、Fluent等CAD/CAE軟件，以及Vega等視景仿真軟件的二次開發(fā)，有限元軟件如Hypermesh、ANSYS的調(diào)用，將這些軟件的功能集成到破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)一體化軟件系統(tǒng)中，極大地解決了以往不同學(xué)科方向中的操作復(fù)雜等問題，破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)一體化系統(tǒng)用戶界面的開發(fā)，使用戶對(duì)破甲彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)管理顯得更加方便、快捷，從而極大地提升了破甲彈的設(shè)計(jì)水平。

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于多層次CAE的破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)一體化軟件系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中采用四層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，即管理層(Management Layer)、功能層(Function Layer)、接口層(Interface Layer)和驅(qū)動(dòng)層(Driver Layer)，具體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1) Management Layer統(tǒng)攬整個(gè)軟件系統(tǒng)，主要是通過對(duì)功能層的七大功能模塊的開發(fā)和集成，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的集成化和開放性管理，方便后續(xù)進(jìn)一步集成破甲彈工藝設(shè)計(jì)、快速成型等功能。

2) Function Layer主要面向用戶人機(jī)交互，通過開發(fā)操作方便、使用快捷的人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)。對(duì)專業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立方便用戶使用的專用設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化環(huán)境。

3) Interface Layer包括數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口對(duì)各子功能模塊的模型、數(shù)據(jù)和文件等進(jìn)行交換，為軟件集成和用戶交互提供基礎(chǔ)。接口為開放式接口，對(duì)后續(xù)的功能模塊給以支持。

4) Driver Layer是構(gòu)建整個(gè)軟件的數(shù)據(jù)管理、三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬仿真、虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的所有軟硬件條件。UG軟件完成破甲彈零部件三維建模和裝配，Hypermesh軟件完成破甲彈整體及戰(zhàn)斗部的網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent軟件實(shí)現(xiàn)彈體氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和終點(diǎn)效應(yīng)仿真分析計(jì)算，Vega進(jìn)行虛擬裝配和仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的建模，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用來儲(chǔ)存各種設(shè)計(jì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以及典型破甲彈結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用Visual C++相關(guān)專業(yè)[7]計(jì)算軟件，以及整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)。

1.2 軟件功能構(gòu)架

破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)一體化軟件系統(tǒng)，其功能構(gòu)架如圖2所示，主要由彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)、彈體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、內(nèi)外彈道設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、戰(zhàn)斗部參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、終點(diǎn)效應(yīng)分析計(jì)算和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能模塊組成。

彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)主要包括彈體特征參數(shù)獲取、初步參數(shù)化特征建模、彈體外形參數(shù)化設(shè)計(jì)、彈體內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)、3D模型虛擬裝配等。支持設(shè)計(jì)方案的快速生成，完成產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)，同時(shí)為其他功能模塊設(shè)計(jì)計(jì)算提供基礎(chǔ)信息，而且根據(jù)其他功能計(jì)算的反饋，隨時(shí)更改彈體結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用虛擬視景仿真技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，可實(shí)時(shí)查看3D模型效果，保證彈體不同結(jié)構(gòu)的精確安裝。

圖2 軟件功能示意圖

彈體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)主要包括破甲彈發(fā)射到命中目標(biāo)過程中的各種載荷建模和分析計(jì)算，氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算等[8]。在確定最優(yōu)氣動(dòng)外形后，綜合終點(diǎn)毀傷效應(yīng)，對(duì)彈體結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

內(nèi)彈道設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括裝藥設(shè)計(jì)分析計(jì)算、發(fā)射膛壓設(shè)計(jì)分析計(jì)算、炮口初速分析計(jì)算等，外彈道分析計(jì)算主要包括速度、彈道傾角、射程、射高、偏航、俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角等，軟件開發(fā)過程中通過Matlab編程針對(duì)內(nèi)外彈道分析計(jì)算，主要是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和工程分析人員提供工程化CAE方法，對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行快速分析與仿真，從而實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品投入加工前，盡可能多的暴露設(shè)計(jì)過程中的問題，解決研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化方案，提高武器研制質(zhì)量。

彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析計(jì)算主要是通過經(jīng)驗(yàn)公式和有限元分析方法對(duì)破甲彈各主要零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和彈丸發(fā)射環(huán)境下的過載環(huán)境分析，均在經(jīng)驗(yàn)公式允許的誤差范圍內(nèi)，有限元分析方法也應(yīng)與典型相關(guān)試驗(yàn)相對(duì)照，誤差小于10%。使其滿足實(shí)際使用的技術(shù)指標(biāo)要求，也為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

戰(zhàn)斗部參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化是破甲彈設(shè)計(jì)與仿真過程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，先進(jìn)而又高效，適應(yīng)不同裝甲的戰(zhàn)斗部是破甲彈發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，實(shí)彈試驗(yàn)參考價(jià)值高但是局限性大，可利用數(shù)值模擬預(yù)先提供參考。合理選用有限元軟件，運(yùn)用合適的算法、網(wǎng)格、材料強(qiáng)度模型、材料本構(gòu)關(guān)系、邊界條件和接觸等保證計(jì)算精度，條件允許的情況下可以和有關(guān)試驗(yàn)對(duì)比，保證仿真的準(zhǔn)確性。戰(zhàn)斗部尺寸和其他組件符合裝配要求。

終點(diǎn)效應(yīng)分析計(jì)算包括炸高分析計(jì)算、靶板材料及分布方式和破甲后效損傷評(píng)估等，面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，有限元軟件已經(jīng)足夠完成不同目標(biāo)靶板的數(shù)值仿真。合理的有限元模型及計(jì)算方法是重點(diǎn)，仿真過程具體操作要求參照戰(zhàn)斗部參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的具體要求。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要是完成破甲彈設(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)、仿真分析數(shù)據(jù)和各種設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的保存和調(diào)用。同時(shí)還能夠完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、保存、修改和查詢等任務(wù)。這些子功能模塊主要是為了方便用戶對(duì)各種型號(hào)的破甲彈模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、仿真分析和公式計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)等協(xié)同管理，提高使用效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)例解析

戰(zhàn)斗部參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化是整個(gè)軟件系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，本文利用某型戰(zhàn)斗部幾何模型和仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)，說明關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)過程。

2.1基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化幾何建模流程

UG/Open API開發(fā)模式[9]支持C/C++語(yǔ)言，因此API程序可以方便地用到計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中，并利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言環(huán)境進(jìn)行編譯。戰(zhàn)斗部幾何模型設(shè)計(jì)過程中，首先啟動(dòng)程序調(diào)用，在UG環(huán)境下創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，將這個(gè)模型保存起來作為模板，隨軟件運(yùn)行次數(shù)增加，模板文件逐漸積累。再根據(jù)幾何特征提取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，編輯模板文件中的表達(dá)式參數(shù)值，選擇設(shè)計(jì)變量和輸出參數(shù)，設(shè)計(jì)相關(guān)變量文件，更新模板文件表達(dá)式，最后生成戰(zhàn)斗部三維模型。具體程序運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 參數(shù)化建模流程

某型戰(zhàn)斗部參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示，在這一模板提供的幾何模型中，可修改和優(yōu)化的參數(shù)包括殼體直徑(D)，殼體厚度(H)，殼體長(zhǎng)度(L)，藥型罩內(nèi)徑(d1)，藥型罩錐角(α)，VESF板[10]錐角(β)，VESF板厚度(d2)，輔助裝藥高度(d3)。其他模板稍有不同。

圖4 某型戰(zhàn)斗部參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖

2.2 ANSYS/AUTODYN軟件調(diào)用示例

將建好的某型戰(zhàn)斗部三維模型通過編程自動(dòng)生成二維CAD模型，如圖5所示。在CAD圖上進(jìn)行幾何運(yùn)算，為后續(xù)仿真分析提供方便，另一方面平面CAD圖紙工程實(shí)用意義大，可直接用于實(shí)際生產(chǎn)。

圖5 戰(zhàn)斗部二維CAD圖

調(diào)用ANSYS/AUTODYN非線性動(dòng)力學(xué)軟件，進(jìn)行某型戰(zhàn)斗部聚能裝藥作用分析，數(shù)值仿真采用Euler填充算法，戰(zhàn)斗部模型軸對(duì)稱，網(wǎng)格在射流形成通道處局部加密，加密處網(wǎng)格大小為0.2 mm×0.5 mm。藥型罩材料為COOPER，采用Shock狀態(tài)方程描述；殼體材料為STEEL 4340，采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型；主裝藥為OCTOL，采用JWL狀態(tài)方程描述。單位制為mm-mg-ms。有限元模型及侵徹體成型過程如圖6所示。聚能射流頭部速度參照文獻(xiàn)[1]中的PER準(zhǔn)定常理論及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，仿真所得結(jié)果在合理范圍內(nèi)，射流形態(tài)與文獻(xiàn)[11]對(duì)比可信度很高。

圖6 戰(zhàn)斗部聚能侵徹體成型示意圖

3 結(jié)論

破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真軟件結(jié)合了CAE系統(tǒng)和多學(xué)科優(yōu)化體系，為破甲彈的開發(fā)研制提出了一種新的思路。

需要說明的是，實(shí)例解析中展示的戰(zhàn)斗部有限元模型及侵徹體成型過程為優(yōu)化后的圖形，侵徹體頭部速度和直徑為綜合意義上的最佳結(jié)果，在戰(zhàn)斗部參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中，進(jìn)一步顯示了一體化軟件系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)：

1) 將Vega虛擬視景軟件運(yùn)用到系統(tǒng)中，較普通三維制圖軟件更為直觀，符合未來制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

2) 集成環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了破甲彈核心部件——戰(zhàn)斗部的智能化自動(dòng)生成，使破甲戰(zhàn)斗部的迅速更新?lián)Q代成為可能。

3) 破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)軟件將整體都納入考慮范圍，避免了各學(xué)科方向獨(dú)立操作導(dǎo)致不兼容的問題，同時(shí)為其他不同彈藥的研發(fā)提供了一定研究基礎(chǔ)。

[1] 許先復(fù).反坦克武器與坦克之間的角逐[J].現(xiàn)代兵器,1987(8):1-5.

[2] 隋樹元,王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

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(責(zé)任編輯周江川)

ReasearchonHighExplosiveAnti-TankProjectileDigitalDesignandSimulation

WANG Qing1,2, ZHAO Handong1, ZHAO Pengduo2, ZHANG Xiaodong1, LI Ying2,3

(1.College of Mechatronic Engineering,North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China;3.School of Transportation,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China)

In order to solve the problems such as long time period and large economic cost in the research and development of traditional high explosive anti-tank projectile, a digital design and simulation system is built on the development platform based on various CAD/CAE software, so that it can be completed structural design, analysis and calculation, automatic modeling and simulation analysis and other functions. Analysis of technology examples shows that the system is simple and practical in the design and development of HEAT projectile, which provides a theoretical basis for the future development of HEAT projectile and other ammunition.

HEAT projectile;digital design; simulation;secondary development; shaped warhead

2017-06-11；

2017-07-30

王慶(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷與艦船防護(hù)研究。

趙捍東(1960—)，男，博士，教授，主要從事彈藥毀傷與彈箭模擬技術(shù)研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.016

本文引用格式：王慶，趙捍東，趙鵬鐸，等.破甲彈數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):73-76,84.

formatWANG Qing,ZHAO Handong,ZHAO Pengduo,et al.Reasearch on High Explosive Anti-Tank Projectile Digital Design and Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):73-76,84.

TJ413.+2

A

2096-2304(2017)11-0073-04