动能弹对金属靶板侵彻的数值模拟分析

■杨博瀚 井 晶 申海峰 宗冬冬

高速弹丸对结构的侵彻问题一直受到军事部门的关注，数值模拟因其经济性和高效性日益成为侵彻问题的重要研究手段，可以节省试验的巨大投入，描述和动态显示问题的整个过程。文章将简约介绍显式分析程序ANSYS/LS-DYNA，并利用其程序软件进行侵彻问题的具体实现方法。

一、ANSYS/LS-DYNA软件简介

ANSYS软件是国际著名的大型结构分析FEA程序，作为融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，ANSYS对于求解热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合等多物理场耦合问题具有其他软件不可比的优势。LS-DYNA作为显式瞬态动力分析的权威软件，是LSTC公司的核心产品。1997年ANSYS公司为弥补自身在非线性领域的不足，与LSTC公司携手合作。ANSYS公司开发的针对LS-DYNA的前后处理器，秉承了ANSYS的传统，熟悉ANSYS的用户用起来比较熟悉，特别是可以用APDL编写命令流，同时大大加强了LS-DYNA的前后处理功能和通用性一个完整的ANSYS/LS-DYNA显式动力分析过程包括前处理、求解以及后处理三个基本操作环节：

1、前处理——建立分析模型

指定分析所用的单元类型并定义实常数（如梁单元的截面积），指定材料模型，建立几何模型，进行网格划分，形成有限单元模型，定义与分析有关的接触信息、边界条件与载荷等，利用ANSYS的前处理器PREP7完成。

2、分析选项设置及求解

制定分析的结束时间以及各种求解控制参数，形成关键字（LS-DYNA计算程序的数据输入文件），递交LS-DYNA970求解器进行计算。

3、结果后处理与分析

对计算的结果数据进行可视化处理和相关分析，可以利用ANSYS的通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26完成，必要时也可调用LS-POST后处理器程序进行结果后处理。

二、ANSYS/LS-DYNA模拟侵彻问题的一般方法

侵彻问题属于高速冲击动力学的研究范畴，其过程具有高速、高温、高压等基本特征。因为加载速率高、变形和速度大、接触物体间的侵彻贯入作用，在高速碰撞过程中材料内呈现明显的应变率及绝热温升效应，甚至发生相变。

利用ANSYS/LS-DYNA模拟侵彻问题时，可采用Lagrange方法，也可采用ALE方法，对于弹丸垂直入射靶板的问题，可考虑建立轴对称的分析模型，进行简化分析。

侵彻问题的分析对网格的划分有较高的要求，网格的划分方案、形态及粗密程度都将对分析结果产生明显的影响，在一般情况下，分析侵彻过程是网格的划分应当注意如下问题：

（1）由于侵彻问题的高压和大变形效应具有局部性，即仅限于弹丸与靶板接触位置附近的区域内，因此划分单元时有必要对这一区域采用较密的网格，在接触位置一定距离的远处则可以采用相对较粗的网格划分。

（2）为了实现上述网格划分方案，有必要对靶板进行体积切分，然后分块指定其网格划分的线段等分数。

（3）网格划分易尽量采用映射划分法，对两维分析划分为四边形单元，对三维分析划分为六面体单元。

由于侵彻问题属于大变形、高压和高应变率的问题，因此对这类问题的数值模拟，采用合理材料分析模型是重要的前提条件。在ANSYS/LS-DYNA中带有断裂失效的Johnson-Cook塑性材料模型，可用来建立侵彻问题的分析模型。由于碰撞过程很短暂，而把它作为绝热过程看待，并以六面体单元动态的模拟碰撞冲击过程。此外，由于高速碰撞发生，在材料内部产生冲击波，这种冲击波在材料内部形成压力、密度、能量和质点加速度的间断点，使微分方程产生奇异点。因此，需要在计算中引入人工体积粘性来修正静水压力项。加入人工体积粘性项，可使得冲击波的强间断平化为在相当窄的区域内急剧变化但却是连续变化的情况。相应的选项设置可在ANSYS/LSDYNA中，通过菜单项MainMenu>Solution>AnalysisOption>BulkViscosity来调用。

三、数值模拟结果分析

（一）问题描述

一个头部为半球形的圆柱金属弹丸，半径为1.3cm，长度3.9cm。金属靶板尺寸均为100cm×100cm×0.6cm,靶板之间平行，相距3cm。弹丸以1300m／s的速度垂直撞击金属靶板中心，弹丸和靶板材料均为钢，试计算弹丸贯穿靶板的变形过程并分析弹丸和靶板的破坏形态。

这是典型的侵彻碰撞问题，弹丸初始速度较高，属于高速撞击范围。弹丸尺寸与靶板尺寸相比要小得多，靶板远端受到弹丸的作用很小，可以认为靶板是无限域。这种情况下，靶板可视为轴对称体，由于弹丸也为轴对称体，因此整个模型可以简化为轴对称问题。

（二）二维数值模拟结果

计算模型使用拉格朗日网格，用二维实体solid162单元进行划分，采用轴对称算法，对称轴为Y轴。弹丸和靶板之间的接触采用 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法，在靶板边界处施加二维投射边界，采用cm-g-μs建模。计算机数值模拟建模、计算和受力分析图如下：

四、结语

数值模拟作为研究侵彻问题的一种手段，特别是ANSYS/LS-DYNA软件的科学应用，完善和补充了理论分析法和实物实验法的不足之处，有力地推动了侵彻问题的研究。掌握好ANSYS/LS-DYNA软件的应用，在理解各种常用操作的含义和实现手段后，通过大量的典型事例练习可以提高动手能力，在实例学习的同时，操作技巧、实际计算能力得到了同步提高。

[1]时党勇,李裕春,张胜民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析[M].北京：清华大学出版社,2005.

[2]尚晓江,苏建宇等.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[3]杨秀敏,邓国强.数值模拟在防护工程中的应用[M].防护工程,2003.

[4]张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京：清华大学出版社,2003.