基于ANSYS的新型拦截射网仿真分析与试验验证

赵端陆，熊自明，马云飞，刘一鸣

(1.陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室， 南京 210007; 2.陆军后勤部信息保障室， 北京 100072)

1 引言

随着科技水平的不断提高，战争形态逐渐向信息化、智能化方向发展，武器的毁伤破坏能力越来越强，使得我方战时高价值目标的生存面临极大挑战。传统被动式土木工程防护手段单一、防护效能不足的短板逐渐显现。当前已有主动防护手段多以拦截导弹和高炮为主，效费比低，超近程拦截手段缺少有效补充，发展新型超近程主动防护手段愈发重要。为此，本文基于柔性飞网技术，针对新型拦截射网展开了研究。

柔性飞网这一概念最早是在Furoshili的卫星任务中，由Nakasuka以及Funase等人提出，伴随这一概念的提出，柔性飞网所具有的面积大、质量轻、生产成本低、并且安全系数高等优点，逐渐体现出来。这使得其不仅在太空捕获非合作目标领域有了广泛的研究应用，在渔网优化、无人机回收、车辆防护拦阻、边坡防护、导弹拦截、弹道分析、水下拖缆、空中拖曳和降落伞系统等领域也有了广泛应用。

在弹体拦截分析方面，赵端陆等基于已有的二维弹道分析，考虑各种不利因素后，结合外弹道学理论，对拦截射网进行了非标准气象条件下三维外弹道仿真分析，并利用Matlab进行编程，探究了拦截射网在空中的成型过程以及拦截姿态、拦截面积的变化情况。盛鲁平提出了一种用柔性碳纤维网通过粘附或干扰的方式，致偏拦截来袭导弹的方法。曾家有等提出了用细钢丝绳编织成一张大网来拦截巡航导弹的设想，并分析了索网拦截相较于一般防御的优点。熊自明等提出了一种用柔性金属网拦截来袭弹体的方法。刘一鸣直接在LS-DYNA中建立了简化的模型，分析了不同因素对碰撞过载的影响，所建模型较为简单，把柔性飞网简化为一固定平面，不能分析柔性飞网的动态变化过程。

通过梳理上述研究现状可见，柔性飞网技术在防护领域已进行了大量的研究与分析，但是针对拦截来袭弹体的过载变化情况尚缺乏一定的了解。基于此，根据新型拦截射网的拦截原理，本文通过ANSYS/Workbench建立了拦截射网拦截来袭弹体的有限元模型，分析了不同拦截射网参数与来袭弹体参数对高速碰撞过载产生过载的影响，确定了针对不同级别来袭弹体可产生的过载值，并进行了试验验证。

2 拦截射网简介与拦截原理分析

新型拦截射网技术是一种新的超近程主动防护理念，相较于传统的采用导弹或高射炮进行的点式拦截或点阵式拦截，其采用高强材料编织而成的柔性飞网对来袭目标进行拦截，是一种全新的技术手段，可以作为我方高价值目标(机场、洞库、指挥中心等军事目标和水厂、电站等重要经济民生目标)现有防护手段的一种重要补充。系统的工作原理如图1所示。

图1 新型拦截射网技术工作原理示意图Fig.1 Working principle of new interceptor-fired net technology

新型拦截射网主动防护技术主要由雷达探测单元、信息处理单元、随动发射单元和射网拦截单元组成。当雷达系统探测到防护目标周围的来袭目标信息后，实时将目标数据信息传输给信息处理单元，通过计算机对各项数据进行综合分析及解算，判断对防护目标的威胁程度，实时控制随动发射单元发射拦截射网。通过拦截射网与来袭弹体进行高速碰撞产生足够过载，达到触发来袭弹药的引信起爆条件，达到引爆来袭目标的目的，将防护目标防直接冲击破坏变为防破片和冲击波伤害，提高防护目标的相对防护能力。相较于传统的拦截方式，新型拦截射网主动防护技术具有拦截时空窗口大、安全性高、后勤压力小、轻质、高效、高强的特点。

新型拦截射网技术拦截来袭弹体是基于引信诱爆原理，利用拦截射网与来袭弹体高速碰撞过程中所产生的反向惯性作用力，触发来袭弹体头部引信，达到引爆来袭弹体以保护防护目标的能力。按引信作用方式及原理的不同，针对触发引信和近炸引信，具有较好的诱爆效果；对于毫米波、激光、无线电和电容引信，金属网可以相对模拟目标特性，具有一定的诱爆效果；对于长延时引信和密集布撒弹药，则不具有拦截效果。

引信又称为信管，通常由保护帽部件、引信体部件、机芯模块和传爆管部件等组成，结构如图2所示。

图2 引信结构示意图Fig.2 Schematic diagram of fuse structure

引信作用时间一般为1～5 ms，通过控制点爆炸元件电路状态进而控制起爆。直接与目标正对相撞时，通过反作用力致使整流罩变形，进而触发引信点火；不能正向相撞时，通过自身前冲惯性力引起引信触发爆炸。对于引信触发问题，一般研究其所受过载(加速度)情况。国内外导弹和航空炸弹采用的惯性触发开关工作过载阈值一般为80～120。根据现有资料，唯一较低过载情况为美军的MK344、MK346航空炸弹引信，采用的是40～80低值惯性触发开关。考虑预设拦截飞网拦截来袭弹体过程中过载的容错值，采用200作为拦截射网拦截来袭弹体的有效过载阈值。

3 拦截射网拦截来袭弹体仿真分析

拦截射网拦截来袭弹体，一定意义上是侵彻行为。按照侵彻速度进行划分，来袭弹药撞击拦截射网是一种“高速侵彻”行为。为了更加准确地分析拦截射网拦截来袭弹体的高速作用过程，利用ANSYS,LS-DYNA和LS-Prepost 等，不同因素对网弹高速碰撞过程中弹体所受过载阈值的影响状况进行了分析探究。

3.1 有限元模型建立及前处理

拦截射网、牵引体及来袭弹体几何模型

拦截射网、牵引体及来袭弹体的几何模型在Workbench Design Modeler(DM)中进行建立。为了避免小单元增加计算耗时，来袭弹体尾翼进行简化，模型如图3所示。

图3 拦截射网拦截来袭弹体模型示意图Fig.3 Model of intercepting incoming projectile by interceptor-fired net

模型的建立过程非常复杂，首先需要建立模型所需的坐标系。此模型中，拦射射网所在平面为平面，来袭弹体采用轴的负方向。

拦截射网独立模型如图4所示，射网边长为2.5 m。首先绘制正三角形草图，然后通过建立多个坐标系和Slice的方式进行网格的划分，通过阵列方式建立整个拦截射网。其中正三角形起到射网加固的作用，与内部网绳直径不一致。在本例中，拦截射网加强绳截面半径为5 mm，其他网梁的截面半径为2.5 mm。

图4 拦截射网模型示意图Fig.4 Model of interceptor-fired net

牵引体和来袭弹体均采用Cylinder单元和Sphere单元建立，利用Slice进行模型的切割，以便于之后的共节点处理。

材料模型及刚体行为

拦截网、牵引弹体及来袭弹体均为钢材，材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比；其中拦截网需要考虑失效，还需要屈服应力、剪切模量、失效塑性应变等。各材料参数如图5所示。

图5 模型材料参数Fig.5 Model material parameters

由于不考虑牵引体变形及应力情况，因此6枚牵引体均采用刚体，如图6所示。拦截射网及来袭弹体采用柔体。

图6 牵引体刚体行为示意图Fig.6 Schematic diagram of rigid body behavior of tractor

连接关系

为了确保射网的顺利展开，拦截射网与6枚牵引体之间采用共节点方式连接,来袭弹体与拦截射网采用单面接触。拦截射网与牵引体连接如图7所示。

图7 拦截射网与牵引体共节点连接示意图Fig.7 Schematic diagram of common node connection between interceptor-fired net and tractor

有限元网格划分及共节点处理

为了避免出现小尺寸单元无谓增加导致计算耗时，同时又能确保仿真结果达到要求，采取不同网格类型进行划分。拦截射网外围网格采用略粗的网格，与来袭弹体接触的中心位置采用精细网格划分，牵引体及来袭弹体网格划分均采用六面体网格。网格划分完成如图8所示。

图8 模型网格划分示意图Fig.8 Overall diagram of model meshing

划分网格后，为了确保一个位置只能出现一个节点，需要进行节点合并处理，包括射网内部的节点合并和射网与牵引体之间的节点合并。

边界载荷情况及分析设置

根据拦截射网实际工作情况，在本例中，对6枚牵引体施加刚体约束，约束其旋转自由度，以防出现网绳扭曲缠绕的现象；对来袭弹体施加350 m/s、轴负向的初始速度，通过位移曲线控制模拟牵引体对拦截射网的牵引作用，单位制采用m-kg-s。

3.2 K文件求解及后处理

经过Workbench建模及前处理后，导出关键字K文件，在进行一定的修改及删除不必要的关键字后，利用LS-DYNA进行模型的求解，求解结果采用LS-Prepost进行后处理分析。

图9为5 cm网格、网绳2.5 mm、质量117.9 kg的拦截射网拦截500 kg级弹头尺寸7 cm的来袭弹体高速碰撞过程示意图。

图9 拦截射网拦截来袭弹体高速碰撞过程示意图Fig.9 Schematic diagram of high-speed collision of interceptor-fired net to intercept incoming projectile

从图9中可以看出，拦截射网展开形态较好，在与来袭弹体发生高速碰撞过程中，与来袭弹体直接接触的部分网绳单元发生了断裂破坏，对来袭弹体产生的过载加速度如图10所示。从图10中可以看出，可对来袭弹体产生4 556.9 m/s，即465的过载加速度。

图10 高速碰撞过程过载加速度曲线Fig.10 Overload acceleration during high-speed collision

3.3 拦截射网拦截过程内力分析

拦截射网网绳单元受力分析

图11和图12分别为仿真分析得到的拦截射网对角线位置和边线位置网绳单元的拉力变化规律图形。分析可知，拉力初始变化阶段为脉冲变化规律，这是由于在牵引体牵引作用下，拦截射网网绳单元突然被拉紧，而后快速回弹，以此循环往复，不断经历拉紧与回弹的转换，造成网绳单元的受力峰值很大，但作用时间较短，形成脉冲变化规律。当射网展开较为充分时，变化较为平缓，数值也相对较小。总结为在牵引体对拦截射网牵引展开过程中，初始阶段网绳单元会有持续的张紧过程，此时受力变化较大；经历这个阶段后，网绳单元的张力会变小，趋势也变得更为平坦。

图11 拦截射网网绳单元对角线方向绳段张力曲线Fig.11 Diagonal rope segment tension of interceptor-fired net rope unit

图12 拦截射网网绳单元边线方向绳段张力曲线Fig.12 Rope segment tension in side line direction of interceptor-fired net rope unit

拦截射网拦截过程等效应力受力分析

拦截射网拦截来袭弹体过程中不同阶段等效应力变化情况如图13所示。当拦截射网未与来袭弹体碰撞时，射网等效应力较小，处于弹性阶段。随着与来袭弹体发生碰撞，拦截射网中心受力区域逐渐超过射网材料破坏极限，发生断裂，断裂区域逐渐扩大，等效应力变化也从碰撞中心区域逐渐向四周扩展。

图13 拦截射网等效应力云图Fig.13 Change of equivalent stress of interceptor-fired net

3.4 拦截射网拦截来袭弹体过载特性分析

拦截射网拦截来袭弹体的高速作用过程中，弹体过载受多种参数的影响。通过控制变量法，在其他参数不变情况下，改变其中一种参数，分析来袭弹体的过载变化情况。本例选取网绳直径、网格大小、来袭弹体速度、来袭弹体质量等为参数变量，研究拦截射网拦截来袭弹体的过载变化情况。以下所分析的拦截射网皆满足拦截射网质量容许设计值，取9.8 m/s。

网弹参数对网弹碰撞过程中过载特性的影响

图14为5 cm网格情况下，不同网绳尺寸拦截射网拦截不同质量来袭弹体在350 m/s飞行速度下过载值的变化情况。

图14 不同质量来袭弹体过载变化曲线Fig.14 Overload changes of incoming projectiles with different masses

由图14分析可知，在不同网绳尺寸下，过载值均随着拦截弹体质量的增加而降低，即网弹高速碰撞过程网绳单元所能承受碰撞力一定的情况下，由=可知，随着来袭弹体质量的降低，所产生过载值会逐渐变大。在来袭弹体100 kg，网绳尺寸2.5 mm情况下，可产生2 229个的过载值。

图15为5 cm网格情况下，不同网绳尺寸下，拦截不同速度来袭弹体过载值的变化曲线。

图15 不同速度来袭弹体过载变化曲线Fig.15 Overload change of incoming projectile at different speeds

分析图15曲线可知，随着来袭弹体速度的增加，在不同网绳尺寸情况下，过载值均呈现增加的趋势，但增幅不明显。

拦截射网作为新型拦截射网的核心组成部分，其网型参数对于高速碰撞过程中过载变化有着重要的影响。

1) 在来袭弹体质量一定的情况下，过载值随着网绳直径的增加而增大，随着弹体质量的增加，网绳直径对过载增幅的影响逐渐减小;

2) 在来袭弹体速度一定的情况下，过载值随着网绳直径的增加而增大，随着弹体速度的增加，网绳直径对过载增幅的影响不大。

拦截射网拦截高速弹体高速碰撞过载特性结果分析

综合上述分析，六边形拦截射网边长为2.5 m时，4 cm网格尺寸、2.5 mm网绳尺寸为拦截射网的最大容许设计值。此时，拦截射网对速度350 m/s、弹头截面尺寸7 cm的不同质量来袭弹体过载值情况如图16所示。

图16 不同质量来袭弹体过载值示意图Fig.16 Overload changes of incoming projectiles with different masses

因此，由图16可知，满足容许设计值情况下的拦截射网，当正向拦截速度大于等于350 m/s、弹头截面大于7 cm的来袭弹体时，对于100 kg级来袭弹体可至少产生3 349.3的过载值，对于300 kg级来袭弹体可至少产生1 045.8的过载值，对于500 kg级来袭弹体可至少产生660.4的过载值，对于700 kg级来袭弹体可产生338.1的过载值，均可满足过载起爆条件，可以对来袭弹体进行有效的拦截。

4 拦截射网地面试验验证

拦截射网作为一种新型的超近程主动拦截手段，本文通过理论分析和仿真模拟来验证拦截射网技术上的可行性。为了进一步了解拦截射网的展开及拦截状态，针对4 cm网格、2.5 mm网绳直径的拦截射网，设计了拦截射网牵引展开试验与地面静态拦截试验，用以验证拦截射网网型展开性能和拦截性能。

4.1 拦截射网牵引展开试验

为了验证仿真分析中拦截射网的牵引展开情况，进行了拦截射网的牵引展开验证试验。试验采用了多管同步发射的方式，利用底部随动发射装置装药驱动牵引体牵引射网展开，使得牵引体发射具有较好的同步性，从而尽可能减少初始状态下影响拦截射网展开效果的因素。

图17为拦截射网牵引展开示意图。试验发现，射网整体展开效果较好，飞行姿态稳定，稳定飞行距离可达50 m以上。同时，射网展开姿态较为平整，证明了随动发射装置的发射同步性较好，进而能有效增大拦截面积，提高拦截概率。

图17 拦截射网牵引展开示意图Fig.17 Schematic diagram of traction deployment of interceptor-fired net

4.2 拦截射网拦截静态试验

为了验证拦截射网能否有效拦截来袭目标，进行了拦截射网的静态拦截试验。来袭弹体采用40火箭弹，如图18所示。火箭弹发射位置距靶板40～60 m，碰撞速度约为220 m/s，着靶角为90°，试验过程由高速摄影机记录，试验现场布局如图19所示，高速摄影拍摄的拦截碰撞转台如图20所示。针对不同工况共进行了3发验证试验，不同距离拦截情况如表1所示。

图18 试验用40火箭弹实物图Fig.18 40 rocket for test

图19 试验现场布局图Fig.19 Layout of test site

图20 拦截射网静态拦截试验过程照片Fig.20 Static interception test process of interception network

表1 不同距离拦截情况Table 1 Interception at different distances

分析发现，对于静态条件下的拦截射网，可对火箭弹成功进行拦截，从而证明了拦截射网拦截来袭弹体在原理上是可行的。

5 结论

基于新型拦截射网拦截原理，通过ANSYS/Workbench建立有限元模型，并进行模型的优化处理。分析了网绳单元对角线及边线位置处的内力变化规律，以及不同拦截参数下高速碰撞过载情况，并进行了相应的地面试验。得出主要结论如下：

1) 新型拦截射网在牵引体牵引展开过程中，初始阶段网绳单元持续张紧，此时受力变化较大，成脉冲变化；经历这个阶段后，网绳单元的张力逐渐变小，趋势更为平坦。

2) 拦截射网在容许设计范围内，当正向拦截速度不小于350 m/s、弹头截面直径大于7 cm的来袭弹体时，对于100 kg级来袭弹体可至少产生3 349.3的过载值，对于300 kg级来袭弹体可至少产生1 045.8的过载值，对于500 kg级来袭弹体可至少产生660.4的过载值，对于700 kg级来袭弹体可产生338.1的过载值，均可满足诱爆拦截条件。

3) 在40～60 m处，对于40 mm火箭弹，拦截射网可进行有效诱爆拦截，反映了拦截射网技术的应用可行性。