聚能切割索自动化仿真分析技术研究

肖林 邓超

摘 要：随着军事技术发展，各国对低成本、高侵彻能力以及高安全性聚能切割索的需求日益迫切。本文利用LS-DYNA仿真软件ALE算法，结合C++开发库Qt框架实现了聚能切割索自动化仿真分析平台的设计，经过与大量试验数据对比，仿真设计平台的精度能够满足工程应用要求，为聚能切割索的研发提供了软件平台支撑。

关键词：聚能切割索;自动化;仿真;ALE方法

引言

聚能切割索是一类在军事领域用于线性结构分离的装置，随着军事技术发展，各国对低成本、高侵彻能力以及高安全性聚能切割索的需求日益迫切。聚能切割索的侵彻效果与聚能切割索、炸药本身材料性能、切割索型面几何参数、安装条件以及切割对象的材料、几何参数等密切相关，长期以来，国内大多数切割索生产单位均采用试验方法确定聚能切割索的设计状态，此方式研制成本高、周期长，且得到的结果仅能作是否满足标准要求的判定，无法给出设计状态是否最优的判定，设计模式相对落后。因此，有必要开展聚能切割索的仿真技术研究，为聚能切割索的设计提供软件平台支撑。

本文以聚能切割索为研究对象，采用ALE算法实现了聚能切割索侵彻靶板过程的仿真，并在仿真模型的基础上开展参数化二次开发，研究出一套基于C++开发库Qt框架的仿真设计平台，经过与大量试验数据对比，仿真设计平台的精度能够满足工程应用要求。

1仿真分析方法研究

1.1算法的选择

聚能装药结构起爆后在强大的爆轰压力作用下形成聚能射流和杵体，射流速度达数千米每秒，具有很强的侵彻能力。由于射流侵彻过程涉及大变形、高应变率、高温及高压等十分复杂的物理过程，增加了采用实验或测试方法进行研究的难度，而数值仿真则可以实现药型罩的压垮及射流侵彻钢板的整个过程，对于详细地研究该过程中的一些物理力学细节和机理提供了一种有效的研究方式。

Lagrange有限元方法在整个数值计算过程中，具有计算效率高的优势，但在计算大变形、多介质问题时，会因网格节点运动导致网格大畸变或滑移面处理等问题，最终引起计算精度降低甚至计算终断。Euler网格固定于模拟对象所在的空间上，模拟的对象是在网格单元上运动，所有的网格节点及网格单元不会随着时间的改变而改变，能够有效地避免网格畸变问题，但是该方法的边界定义不够精确，很难准确描述物质运动界面。任意拉格朗日-欧拉方法具有Lagrange和Euler两者方法的优点，既能够有效地跟踪物质运动界面，又可以处理大位移和大变形问题，使网格不会出现严重畸变[1]，故本文选用ALE方法进行仿真分析。

1.2仿真模型的构建

本文选取线密度为6.0g/m的某铜切割索作为仿真对象，因射流及侵彻过程主要涉及到炸药、药型罩、空气与靶板四个部分，具体模型如下。

1.2.1切割索型面參数的获取

切割索的截面几何参数是仿真模型的主要参数，本文采取截面投影方式获取某典型铜切割索的截面几何参数，如图1所示。

1.2.2参数化模型的建立

根据获取的截面参数，结合商业软件ANSYS构建了相应的参数化仿真模型，参数化模型采用了ANSYS内置的APDL语言，然后将参数化模型导入到LS-DYNA中，具体参数化模型如图2所示。本算例中聚能切割索模型与靶板的距离为0mm。

1.2.3材料本构参数与状态方程

聚能切割索主要由炸药、药型罩、空气与靶板四个部分组成，其中炸药材料为黑索今，采用高能燃烧模型以及JWL状态方程加以描述[2]，材料参数如表1所示。

药型罩材料为铜，采用JOHNSON_COOK模型以及Gruneisen状态方程加以描述，材料参数如表2所示。

靶板材料为45号钢，采用JOHNSON_COOK模型以及Gruneisen状态方程加以描述，材料参数如表3所示。

射流与靶板之间的介质为空气，空气材料采用MAT_NULL模型以及EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程加以描述，材料参数如表4所示。

1.2.4边界条件的简化

聚能切割索仿真模型如图3所示，添加固定边界条件BOUNDARY_SPC_SET，对所有节点的Z向位移和绕X、Y轴的转动施加固定约束。在图3所示的模型中，添加非反射边界条件BOUNDARY_NON_REFLECTING，对空气的周向各面施加相应的非反射约束。

1.3仿真分析结果

以炸药底部中心为起爆点（图4b所示），模拟聚能切割索在炸药爆轰压力作用下形成射流并侵彻靶板的过程，如图4所示。起爆后，球形爆轰波首先到达药型罩底部部分，在强爆轰压力下，药型罩底部逐渐开始向轴线方向闭合，进而导致外层形成高速射流。当高速射流与靶板发生接触后，射流侵入靶板并在靶板上形成凹坑（图5所示）。

选取靶板凹坑上的两个特殊节点（图5中编号为17656、11209的节点），查看各节点的Y坐标位置-时间曲线，如图6所示，坐标位置单位为cm。从图中可以得出，最终凹坑深度为H=（0.529-0.392）cm=1.37mm。

1.4试验对比

对图2所示的聚能切割索进行了实物侵彻钢板试验。聚能切割索装药为黑索今，装药线密度为6.0g/m，靶板材料为45#钢（未淬火钢板），通过将聚能切割索与靶板安装成一定夹角的方式控制炸高范围为（0～4）mm，试验件安装状态如图7所示。

使用5根切割索进行试验，试验结果及相关数据分别如表5所示。

1.5试验-仿真结果初步对比

从表5的试验数据可以看到，在0mm炸高条件下，5根聚能切割索侵彻靶板（45#钢板）的深度分别为1.53mm、1.3mm、1.31mm、1.25mm、1.35mm，与仿真结果1.37mm相比较偏差分别为10.46%、5.38%、4.58%、9.60%、1.48%。对比结果表明，试验结果与仿真分析结果较为一致，可以认为仿真分析结果满足要求。

2自动化仿真分析平台设计

2.1软件总体框架

仿真平台主要由用户输入模块、内置处理模块、结果后处理模块三部分组成。切割索仿真设计平台总体框架如图9所示。

2.2软件界面设计

软件界面由用户输入模块呈现，用户输入模块主要由初始界面（图10）、切割索参数（图11）与靶板参数（图12）三个主要部分组成。在初始界面下，用户可以通过全局参数输入区键入需要开展分析的主要参数;完成参数设置后，可以通过操作区的各项功能按钮进行操作，也可以通过菜单栏实现同样的操作;消息区则显示操作过程相关信息。

2.3试验-仿真结果对比情况

在聚能切割索仿真设计平台下，按表5中的炸高值设置参数，并将仿真计算得到的侵彻深度结果与试验结果进行对比，如表6所示。

根據仿真结果与试验结果相比较发现，仅有少部分试验结果与仿真结果偏差较大（偏差超过10%），大部分试验结果与仿真计算值十分接近，整体平均误差为5.10%。

2.4小结

以装药线密度为（6.0±0.3）g/m的某典型聚能切割索为例，结合仿真设计平台，通过调整切割索炸高参数探究了仿真设计平台的适用性与精确性。经大量试验-仿真结果数据对比分析可以看出，仿真平台分析结果整体平均误差在5%左右，能够满足工程应用需求。

3总结

聚能切割索是一类线性结构分离的装置，其特点是利用炸药爆轰产生的高压挤压金属药罩形成射流，完成对预定对象的毁伤功能，在军事和工业领域有着广泛的应用。本文利用仿真和试验相结合的方法，对聚能切割索侵彻靶板过程的仿真技术进行了的研究，在研究成果的基础上开发了相应的仿真设计平台，并采用正交试验的方法系统地分析了药型罩部分几何参数对切割索工作性能的影响。经过多项试验与仿真结果对比表明，项目实现了聚能切割索侵彻靶板过程的仿真技术研究，仿真分析精度能够满足基本分析要求，可以为聚能切割索的研发提供重要的软件平台支撑。

参考文献

[1] 康德，严平等.基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟.海军工程大学兵器工程系，2014年

[2] 杨秀敏.爆炸冲击现象数值模拟.中国科学技术大学出版社，2010年.

[3] 李磊.基于正交试验法的多面聚能效应的数值模拟与应用研究[D].中国科学技术大学.2013，3.

[4] 王泽鹏，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS13.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社.2011，9.

[5] John O. Hallquist. Ls-Dyna Theoretical Manual. Livemore Software Technology Corporation. May，1998.

作者简介：肖林，男，湖南临澧，1989.09，硕士研究生，工程师，海装驻成都地区第四军事代表室，研究方向：火工品。