以ANSYS/LS-DYNA为平台的高速弹头侵彻防弹衣的仿真研究

徐 伟， 伍维根 ，缪志农 ，谢永春

1.西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039

2.攀枝花学院，四川攀枝花 617000

以ANSYS/LS-DYNA为平台的高速弹头侵彻防弹衣的仿真研究

徐 伟1， 伍维根2，缪志农2，谢永春2

1.西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039

2.攀枝花学院，四川攀枝花 617000

本文介绍了弹头侵彻防弹衣的基本原理，以有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA为平台对子弹弹头撞击以超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPEF）为材料的防弹衣的过程进行数值仿真分析，分析在侵彻瞬间100毫秒内弹头和防弹衣的变形与穿透情况，在后处理器LS-PREPOST中得出弹头与防弹衣材料的应变图与相关节点的速度时间曲线和加速度时间曲线，为优化子弹弹头与防弹衣的设计提供必要的参数数据。

有限元分析；侵彻；弹头；防弹衣；应变；ANSYS/LS-DYNA；仿真

0 引言

现代战争对于单兵防弹衣的需求日益加大，随着军工和材料行业的飞速发展，防弹衣的新材料也成出不穷，超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPE），是世界上最坚韧的纤维且具有很高的弹性模量，是目前世界上最为先进的防弹衣材料之一。

高速弹头侵彻问题是军工领域研究的热门课题，对优化武器攻击力和防护体的防护能力都有重要意义。本文利用ANSYS/LSDYNA对北约7.62mm狙击步枪7.62×51mm型子弹近距离（7m）射击UHMWPE防弹衣的过程进行数值仿真分析，得到了较好的分析结果。

1 侵彻理论分析

侵彻问题属冲击动力学问题涉及到材料非线性，集合非线性，和边界条件非线性，本文采用lagrange算法求解。在拉格朗日算法中，计算网格固定在物质上随物质一起变形。网格点与物质点在物质变形过程中始终保持重合，物质点与网格点不存在相对迁移或对流运动，这大大简化了控制方程的求解。弹头与防弹衣材料的本构方程需要材料的行为的时间历史，该算法能够很好的处理这个问题[4]。

2 侵彻过程的有限元分析

2.1 建模与网格划分

步枪弹头的被甲材料为铜，弹头使用钢铅复合弹芯，弹头为实心型弹头，防弹衣材料为UHMWPEF，为简化分析弹头和防弹衣材料均视为双线性弹性塑性带应变失效的材料本构模型。数据如表格1：

表1 弹头与防弹衣材料物理属性

该侵彻问题为三维实体接触，单元算法选择单点高斯积分（Const.tress）和拉格朗日算法（lagrange）。由于模型轴对称为节省计算只建立1/2模型，为简化分析子弹弹头模型以圆柱体代替，弹头直径取0.74cm，长度2cm，防弹衣厚度取1.5cm，弹头以水平80度角入侵。模型采用三位实体显式单元Solid164进行划分网格，网格划分为六面体网格。生成PART后定义接触算法为面面侵彻算法，即 *CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。数值模型单位采用g-cm-μs单位制。在ANSYS/LS-DYNA中建立模型划分网格如图1所示。

图1 弹头侵彻网格划分

2.2 载荷施加与修改关键字

施加Z方向对称约束载荷，施加周边固定约束载荷后施加part1即弹头初始速度，令初始入侵速度为1 000m/s，然后设置能量选项、人工体积粘性选项、求解时间、结果文件输出步数、输出关键字文件。修改关键字文件，修改材料相关的关键字段并添加接触控制接触刚度关键字。

3 结果分析

将修改好的关键字文件递交LS-DYNA程序求解，得到求解结果文件D3plot将结果信息读入LS-PREPOST后处理器，在该后处理器中课观察侵彻动态全过程，将窗口分切成四个窗口以便能同时显示4个不同时刻的应变图。

为了分析侵彻瞬间弹头各节点速度加速度及位移变化情况，取弹头上4个节点248、280、289、300，在后处理器主菜单Time History Results面板中选择相应的参数绘制各节点Y方向速度时间曲线，如图2。

图2 节点Y方向速度时间曲线

分析弹头侵彻过程中速度变化，选取partID中H1绘制弹头速度时程曲线，在时间t=80us后，弹头的速度降至约0.01 cm/us几乎不在下降，从数值结果分析，在t=80 us时刻弹头已基本完成对防弹衣的侵彻。

4 结论

1）本文介利用ANSYS/LS-DYNA对弹头侵彻防弹衣进行数值仿真，得到了大量分析数据基本接近真实值。同时也介绍了进行侵彻动力学分析的一般方法和步骤，并对侵彻原理进行了阐述；

2）有限元分析中模型的正确建立、载荷及约束的施加、材料类型的选择、正确的分析算法都直接影响分析的精度和正确性。随着有限元技术和计算机技术的发展数值模拟在工程应用中越来越普遍，这对降低产品研发成本，缩短研发周期都有重要意义；

3）数值仿真得到的结果数据将对下一步优化弹头和防弹衣结构设计提供有价值的参考。

[1]HAN Feng, HU Yang. Numerical Simulation of the Shaped Charge Jet Velocity Effected by Warhead Shell. Academic Journal of Beijing University of Technology，2009(2).

[2]Wei min，J.Application of ANSYS/LSDYNA in simulation process of laser shock

forming on sheet metal.APPLIED LASER-SHANGHAI，2004，10(24).

[3]宫平.超高分子聚乙烯纤维及其复合材料的性能[J].京服装学院学报，2000(2).

[4]李裕春，时党勇，赵远.ANSYS10.0基础理论与工程实践.中国水利水电出版社，2006：75-116.

[5]张雄，王天舒.计算动力学[M].清华大学出版社，2007：301-320.

[6]尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].中国水利水电出版社，2005：193-219.

TH14

A

1674-6708（2010）30-0217-02

徐伟，硕士研究生，专业：机械电子工程，研究方向：机械CAD/CAE/CAM，精密仪器与虚拟制造