Autodyn在《战斗部结构与终点效应》教学中的应用

李翔宇　梁民族

摘要：在《战斗部结构与终点效应》教学中引入了Autodyn软件，并对破片形成过程及其影响因素进行仿真分析。结果表明，Autodyn能够直观地描述壳体膨胀、断裂和破片加速运动等过程，解决了毁伤课程中实验教学难以开展的难题。

关键词：本科教学；战斗部结构与终点效应；Autodyn软件

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）34-0258-02

引言

《战斗部结构与终点效应》是面向我校本科专业开设的一门专业课程[1]，希望通过课程学习使学员掌握战斗部毁伤元素形成及其对目标毁伤机理。要求学员对爆破、破片、破甲和侵彻四种典型战斗部结构、作用机理和毁伤效应有较全面的了解，掌握典型战斗部的作用原理及终点毁伤效应的基本理论和知识。课程教学采取课堂讲授、实物展示和实践教学相结合，实践教学主要通过虚拟实验[2]和爆炸实验来实现。由于爆炸实验具有高危险性，考虑到危爆品运输、学员安全防范、教学安全实施等因素，目前实践中仅开设极少量的野外爆炸实验。在这种情况下，如何再现战斗部毁伤元形成过程以及对目标的毁伤机制，更形象地描述战斗部毁伤目标的过程是实践教学中亟待解决的主要问题，也是进一步提高课程教学质量的保障。

Autodyn软件[3]是国际上模拟爆炸与冲击波力学问题的常用软件，采取Autodyn软件进行虚拟实验教学是提高教学质量比较理想的途径。本文以破片战斗部为例，介绍Autodyn软件在《战斗部结构与终点毁伤》教学中的应用。

一、Autodyn软件简介

Autodyn由美国Century Dynamics公司开发，从开发至今在国际军工行业占据80%以上市场，主要应用方向为内外弹道学、成形装药设计、冲击波形成与传播、装甲/反装甲及冲击引爆、空气/水中/土中爆炸等。该软件基于连续介质方程组，在给定材料模型、初始和边界条件下，通过显示积分和不同的求解技术来求解爆炸与冲击动力学问题。求解器类型有Lagrange方法、Euler方法、ALE方法、SPH方法、Shell方法和Beam方法等。

Autodyn软件通过在空间和时间上将方程组离散，将复杂的问题分解成有限的更小、更简单的问题。该软件分析问题的一般步骤包括：第1步设置求解类型和单位制，第2步定义材料和失效模型，第3步定义初始条件，第4步定义边界条件，第5步建立模型，第6步模型相关设置，第7步穿甲、起爆设置，第8步求解与输出，第9步计算与后处理。

二、利用Autodyn模拟自然破片形成过程

根据Autodyn软件分析问题的一般步骤，建立2D面对称模型。TNT炸药为中心单点起爆，壳体上设定10个观测点观察速度变化。图1给出了壳体破裂成自然破片形状仿真结果，可以看出壳体随机破裂成大小形状不一致的破片，大部分破裂过程遵循内层剪切断裂、外层拉伸断裂失效模式。可以通过Autodyn软件直观地描述壳体膨胀、断裂和破片加速运动等过程，解决了毁伤课程中实验教学难易开展的难题。

三、破片初速影响因素

影响破片初速的因素很多，诸如炸药类型、壳体材料和结构、起爆模式、装药工艺、材料热处理工艺等等，本文主要考虑起爆模式和炸药类型对破片初速的影响。

设定了四种起爆模式，即中心单点起爆（I）、偏心1点起爆（II）、偏心2点60°起爆（III）、偏心2点90°起爆（IV），起爆模式对破片初速的影响如图2所示。可见偏心起爆由于改变了炸药能量在圆周方向上的均匀分布，可以通过调整起爆点实现在某方向上破片能量增强。

通过改变战斗部炸药类型考察炸药对壳体初速的影响，TNT、Comp.B和HMX三种炸药驱动下破片初速结果如图3所示。可以看到，三种炸药驱动壳体运动的时程曲线规律相近，由于HMX炸药的Gurney常数最大，驱动壳体运动获得的初速最高。

四、结论

针对毁伤课程中实验教学难以开展的难题，在《战斗部结构与终点效应》课程教学中引入了Autodyn软件。结果表明，Autodyn可以模擬战斗部毁伤元的形成过程，能够使学员加深对武器毁伤的理解，将软件应用到课堂教学和课后训练均能起到很好的教学效果。

参考文献：

[1]卢芳云，李翔宇，林玉亮.战斗部结构与原理[M].北京：科学出版社，2009.

[2]陈雷，高欣宝，闫军，等.虚拟实验在弹药检测技术课程教学中的应用研究[J].现代教育技术，2009，19（7）：130-131.

[3]Autodyn User Manual 2001[Z].Century Dynamics，Inc.