动能弹垂直侵彻混凝土靶板的三维数值模拟研究

第２６卷第４期　弹箭与制导学报　・　１２１　・　动能弹垂直侵彻混凝土靶板的三维数值模拟研究　尉志同，余文力，王　涛，张志眷　（第二炮兵工程学院．西安　７１００２５）　［摘要］利用ＬＳ—ＤＹＮＡ程序对动能弹垂直侵彻混凝土靶板的过程进行了三维数值模拟。根据模拟结果．分　析了侵彻过程各个阶段的物理现象和弹靶作用特征；绘制了不同侵彻初速对侵彻结果的影响曲线，获得了弹　体初速对混凝土侵彻的影响规律．可以为混凝土的侵彻研究提供参考依据。计算表明，三维数值模拟方法能　够形象显示动能弹垂直侵彻混凝土靶板的细节和初速对侵彻结果的影响情况。　［关键词］动能弹；混凝土靶板；侵彻；数值模拟　［中图分类号］ＴＪ４１３．　９　［文献标识码］Ａ　３Ｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉ０ｎ　ｏｆ　Ｋｉｎｅｔｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｒｏｊ　ｅｃｔｉｌｅ　ｉｎｔｏ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｔａｒｇｅｔ　ＹＵ　Ｚｈｉ—ｔｏｎｇ，ＹＵ　Ｗｅｎ—ｌｉ．ＷＡＮＧ　Ｔａｏ．ＺＨ　Ａ　ＮＧ　Ｚｈｉ—ｃｈｕｎ　（Ｔｈｅ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ　７１００２５．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ＬＳ－－ＤＹＮＡ３Ｄ．ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ　ｉｎｔｏ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｅ　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｈｅ　Ｃｕｒｖｅｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｖｅｌｏｅｉｔｙ　ａｒｅ　ｄｒａｗｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔａｒｇｅｔ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｉ＿　ｔｉｍ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｂａｓｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ｃｏｎ—　ｃｒｅｔｅ　ｔａｒｇｅｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔａｒｇｅｔ；ｐｅｎｅｔｒａｔｌｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ　中利用目前比较成熟的ＬＳ－ＤＹＮＡ软件对动能　１　引言　弹垂直侵彻混凝土靶板进行了三维数值仿真，分　动能弹侵彻贯穿混凝土靶板问题一直是武　析了不同侵彻初速度对侵彻结果的影响。　器研制和工程防护部门关注的重点，对侵彻过程　和侵彻机理的研究在战斗部设计、毁伤效应评估　２数值模拟数学模型及算法　等方面具有重要意义。弹丸侵彻贯穿靶板的初　ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ程序的主要算法采用Ｌａ—　速度对侵彻贯穿过程中穿孔直径和能量损失有　着重要的影响，对混凝土的侵彻贯穿机理的研究　ｇｒａｎｇｉａｎ描述增量法。　具有至关重要的作用［１］。目前，研究侵彻贯穿问　取初始时刻的质点坐标为Ｘ　（ｉ一１，２，３）。　题的途径主要有三种：实验研究、工程模型和数　在任意ｔ时刻，该质点坐标为工　（１，２，３）。该质点　值模拟。其中实验研究方法耗资巨大，而且得到　运动方程是　：　经验公式适用范围较小，另外由于混凝土的侵彻　ｚ　＝ｚ　（Ｘ　，　ｉ，　一１，２，３　（１）　机理比较复杂利用工程模型计算的结果误差较　在ｔ＝０时，初始条件为ｚ　（Ｘ，，Ｏ）一ｘ　，ｚ　（Ｘ　，　大口］，而利用数值模拟能够全面地反映侵彻贯穿　过程的具体细节，能够反映出靶板各物理量的变　Ｏ）一Ｖ　（Ｘ　，Ｏ）式中Ｖ　为初始速度。　化关系，从而找出各种参数对破坏效应的影响大　（１）动量方程　小，以弥补理论分析的不足，拓宽实验结果。文　．　＋　一　（２）　＊收稿日期：２００６—０４—２７　作者简介：尉志同（１９７４一）．男．山西运城人，硕士研究生．研究方向；弹药战斗部工程。　维普资讯 http://www.cqvip.com

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第２６卷第４期　动能弹垂直侵彻混凝土靶板的三维数值模拟研究　尉志同等　・１２３・　程；从弹丸全部侵入靶ｊ　板到弹尖到达靶板背ｇ　面这段时间内（８～　０　４Ｏ　ｓ），速度下降趋势　增大，几乎呈直线下　图３弹体速度的时　降；弹丸头部全部穿出　间历程曲线　靶板后，速度曲线渐趋　平稳，这与试验结果［５］是一致的。　弹体在侵彻混凝土过程中速度减小主要是　受到介质阻力Ｆ，的作用，其计算公式为　］：　Ｆ　一ｃｌＤ。Ｖ。＋　２ＤＶ＋Ｃ３Ｄ。　（５）　式中＿ｆｌ、ｃ　、　为与介质性质、弹的形状、侵入深度和　攻角等有关的系数；Ｄ为弹径；　为弹体速度。　等式右边第一项为克服介质所遇到的阻力，　简称动阻力；第二项代表粘滞阻力；第三项为克　服介质颗粒间的结合力的静阻力。在弹体速度　很大时．粘滞阻力和动阻力起主要作用，随着弹　体速度减小，粘滞阻力和动阻力逐渐减小，介质　阻力以静阻力为主。在弹体侵彻混凝土过程中，　弹体速度逐渐减小，所受到的介质阻力也逐渐减　小，即产生的加速度逐渐减小，与数值模拟结果　较为相符。　４．３不同弹体初速对侵彻结果的影响　弹体依靠其动能来实现对混凝土的侵彻过　程，所以弹体的初速度对侵彻结果将产生极其重　要的影响。依次选取弹体初速　。为１０５０ｍ／ｓ、　１２００ｍ／ｓ、１３５０ｍ／ｓ、１５００ｍ／ｓ、ｌ６５０ｍ／ｓ分别进行　数值模拟。根据模拟结果提取弹体穿透靶板时　的剩余速度　、剩余速度与初速的平方差值（硝一　）以及靶板的穿孔直径ｄ，如表１所示。　表ｌ　不同初速对侵彻结果的影响　７．／０（ｍ／ｓ）　（ｍ／ｓ）　胡一　（ｍ　／ｓａ）　ｄ（ｒａｍ）　ｌ　６５Ｏ　８ｉ　８７５　２５　６７　１　５００　９４　９６７　３６．１Ｏ　ｌ　３５０　９５　９０４　４７．９２　１　２００　１Ｏ８　２８４　６２．７２　ｌ　ＯＳＯ　ｌ５ｌ　８７５　根据表１绘制图５和图６。如图５所示，随　着弹体初速度的减小，初速与剩余速度平方的差　值逐渐增大，即弹体动能大幅度下降；在图６中，　随着弹体初速的减小。靶板穿孔直径逐渐增大，　而靶板的穿孑Ｌ直径可以作为弹体动能损失的度　量，即穿孔直径越大，弹体在侵彻过程中损失的　能量就越多。由此可见，通过弹体初速与剩余速　度平方差值、初速与穿孔直径的关系，可以得出　如下结论：弹体初速越大，则穿透混凝土靶板损　失的能量就越小。其原因是：弹体初速越低，弹　体在穿靶过程中所受到的靶板抗力越大，穿靶时　间也越长，能量损失也就越多。　图５初速与速度平　图６　初速与穿孔’　方差值关系图　直径关系图　５　结束语　通过数值模拟计算可以得出，初速度是影响　动能弹垂直侵彻混凝土靶板结果的重要因素。　随着初速的减小，弹体剩余速度大幅下降．弹孔　直径逐渐增大，弹体在侵彻过程中损失能量逐渐　增大。为动能弹穿透混凝土靶坚固目标及穿透　多层混凝土靶板的设计提供了指导和一定的理　论依据。　数值模拟方法能够形象显示动能弹垂直侵　彻混凝土靶板过程，清晰反映弹体初速对侵彻结　果的影响。有关试验数据验证了该方法可行，计　算模型合理。表明数值模拟方法可以为混凝土　侵彻仿真试验及其参数优化提供一种有效的辅　助手段。　［参　考　文　献］　［１］　曹德青．钢筋混凝土侵彻数值模拟研究［Ｄ］．北　京：北京理工大学．２０００．　［２］Ｃｏｒｂｅｔｔ　Ｇ　Ｇ，Ｒｅｉｄ　Ｓ　Ｒ，Ｊｏｈｎｓｏｎ　Ｗ．Ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｐｌａｔｅｓ　ａｎｄ　ｓｈｅｌｌｓ　ｂｙ　ｆｒｅｅ－ｆｌｙｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ：ａ　ｒｅｖｉｅｗ　［Ｊ］．Ｉｎｔ　Ｊ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｅｎｇ，１９９６，１８（２）；１４１－－２３０．　［３３北京理工大学．ＡＮＳＹＳ／Ｉ　Ｓ—ＤＹＮＡ算法基础和　使用方法ＥＭ］．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ中国技术支　持中心１９９９，１８　２０．　［４３　ＬＳ－ＤＹＮＡ　ＫＥＹＷ（）ＲＤ　ＵＳＥＲ’Ｓ　ＭＡＮＵＡＩ　［ｚ］．　Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ－ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ａ－　ｐｒｉｌ　２００３，Ｖｅｒｓｉｏｎ　９７０．　［５］胡功笠，刘荣忠．齐爱东，动能弹侵彻钢筋混凝土　靶板的试验研究［Ｊ］．弹箭与制导学报．２００５，２５　（１）：２４—２６．　［６３刘树华，丘光申，潘昌祥．等．火箭弹设计［Ｍ］．北　京：国防工业出版社．１９８４．