一种基于弹靶分离方法的带攻角斜侵彻弹道分析方案设计

南京理工大学本科生科研训练结题论文作者王利明1101500335学院机械工程学院专业机械工程及自动化项目名称一种基于弹靶分离方法的带攻角斜侵彻弹道分析方案设计姓名专业技术职务指导者张先锋副教授2014年9月南京理工大学本科生科研训练（论文）中文摘要本文过对国内外各种混凝土模型和数值模拟方法的历史与现状进行调研，确定出比较合适的材料模型和算法，针对刚性弹丸侵彻混凝土靶的问题进行数值模拟，利用现有的实验数据验证其可行性，本课题作为研究侵彻问题的重要手段，其主要研究内容如下(1)计算确定带攻角斜侵彻的弹丸侵彻过程中的靶体响应力函数；(2)利用ABAQUS/Expliclt显示动态有限元软件建立带攻角的斜侵彻弹丸有限元模型；(3)利用ABAQUS软件子程序二次开发功能，将靶体响应力函数写入ABAQUS软件的VDLOAD子程序中；(4)进行相关仿真和弹道分析。关键字弹把分离斜侵彻混凝土目录1混凝土侵彻的国内外研究历史与现状..................................42课題的意义和本文工作..............................................53混凝土的侵彻研究进展..............................................73.1混凝土的侵彻破坏准则3.2混凝土损伤模型3.2.1拉伸损伤模型3.2.2混凝土侵彻模型4材料本构模型及其参数确定.........................................165仿真结果与分析...................................................17参考文献..........................................................201混凝土侵彻的国内外研究历史与现状长期以来，关于混凝土侵彻的研究一直是个活跃的领域，研究的重点主要集中在混凝土的模型和各种侵彻经验公式的推导；随着有限元技术的飞速发展，运用计算机进行侵彻数值模拟已经得到广泛的应用，但至今还没有实现对混凝土侵彻进行比较全面、准确的数值模拟。RRRobertson以及NDRC的专题报告都把混凝土作为一类靶体进行了研究,得到了一系列或基于实验数据或半实验半理论的计算侵公式。二战期间，欧洲轴心国和盟国都构筑了大量的混凝土工事和防护掩体，使侵彻混凝土的研究日益受到视重特别是多种侵彻机理的提出，为混凝土侵彻的研究提供了理论分析方法^由于钻地武器的研制和核电站安全防护等原因，二战以后侵彻浪凝土的研究得到了格外关注，1960年SNL的土壤动力学研究计划标志着美国钻地武器研究的开端，该计划的目的是；一、对弹体侵彻岩石等靶体材料过程中的基本物理现象做迸一步的了解；二、取得足够的实验数据，预估侵彻深度和弹体所受阻为的经验公式。为此SNL进行了大量的涉及多种靶材的实验，CW.Yong(SNLJ98S)在导弹科学会议上报道，SNL有一个侵彻多种靶材的数据库，这些数据来源于3000多次全尺寸对自然土层和混凝土靶的侵彻实验。并从侵彻深度与撞击速度、紀体性质、弹头形状、弹重和弹体横截面等之间关系的丰富的实验数据中，总结出了预估侵彻深度的经验公式。19774979年间，R.S.Bernard等发表了一系列或依据实验数据做近似曲线或对阻力做一定的假设而得到的優彻岩石和混凝土的经验公式⑷。GW.Stone等发表了一系列文章，分别考虑了靶体材料性质、弹头形状因素对侵彻过程的影响。七十年代随着核工业的发展，核电站用的防辐射混凝土墙需要抵抗意外因素所引起的撞击和导弹的袭击，从而促逬了对混凝土撞击現象的广泛硏究。海湾战争以来精确制导战斗部侵彻混凝土结构受到人们的普遍关注。设计打击混凝土结构的高速飞行战斗部需要预测战斗部冲击混凝土结构的动力响应。由于在冲击过程中混凝土要经历大变形、髙应变率和高压作用，因此问题的描述比较复杂6目前多将混凝土类比为各向同性的弹塑性模型，用空腔理论加以理论推导最初为不可压缩的弹塑性模型，后来发展到可压缩的弹塑性材料模型，对混凝土介质力学特性的认识主要偏重于静力学特性，对于动态特性做的工作很少，但在研究混凝土介质的冲击阻力特性时，其动态特性十分重要！近年来，随着实验技术、测试技术以及计算技术的发展，人们对混凝土的动态力学性质有了一些初步认识。我国在弹体侵彻破坏效应方面也做了大量的研究，但与国外的研究相比特别是和国外军事强国相比还是有很大的差距的。从五十年代以来，我国就开展了利用当时的炮炸弹进行了大量的野外现场试验，主要是验证釆用国外的弹体侵彻预估公式的适用性。但由于常規武器技术的飞速发展，五、六十年代的常规武器已远远落后于现代常规武器，特别是精确制导钻地武器，因此那时的研究成果已很难满足对现代常规武器的防护要求^由于当时的技术水平和实验手段、测量手段的限制，缺乏对弹体侵彻机理的系统深入的研究，目前我国国防预估弹体侵彻深度计算方法和公式，基本用早期前苏联的设计计算方法无法对侵彻深度作准确的预报，也无法提出可靠的防护措施。近年来，由于军事斗争的牵引，我国在弹体侵彻破坏效应方面的研究有了长足的进展。无论是从力学基础研究，还是试验技术，以及抗侵彻材料、结构形式研究都提出了许多新观点、新方法。但由于侵彻力学的复杂性，仍存在许多急待解决的问题。如:弹体在混凝土靶中的冲击特性的研究；弹体在混凝土中侵彻深度的实用预诂公式和方法；弹体在成层靶材中的侵彻深度的预估方法；新型抗侵彻破坏效应的材料和结构形式的研究；实用复合遮弹技术的研究等。2课題的意义和本文工作弹体对混凝土介质的侵彻一直是武器研制和工程防护部门密切关注的问题。目前在弹体垂直侵彻理论分析与实验研究方面已经取得了丰硕的成果。在理论分析方面，主要形成了空腔膨胀理论和微分面力理论;在实验研究方面,产生了Ymmg公式、Bernard公式等40余种经验公式。然而对于弹体的斜侵彻，由于作用弹体上下便面靶体材料不对称以及自由表面的影响，空腔膨胀理论尚未获得推广使用;微分面力理论则因9个参量中仅仅有2个参量为巳知而限制了应用。在众多的经验公式中，绝大多数仅适用于0攻角下的法向侵彻，而引入入射角的别列赞公式，经试验证实侵彻深度偏大而过于冒进。考虑到建立斜侵彻解析模型需要更多的假设以及斜侵彻试验难度大、费用高、周期长等不足，文中结合数值模拟的特点⑴，将采用ABAQUS有限元软件就斜侵彻条件下攻角对弹道的影响进行详细分析。斜侵彻基本问题描述受投放条件或投放方式的制约、敌方武器装备的干扰以及在飞行过程中重力与空气阻力的不对称作用，弹体对地下目标的侵彻通常为斜侵彻，并产生偏航。斜侵彻是指弹体轴线与目标表面法线之间存在一个非零角，这个角称作人射角，偏航是指弹体轴线与速度方向不重合，二者之间的夹角称作攻角，如图1所示。其中：0为人射角，0=0°时为正人射，也称法向侵彻为攻角，也称偏航角，当弹顶高于弹速方向攻角为正，反之攻角则为负，图中攻角即为负；弹体质心C的运动轨迹称为弹道，弹道所在的平面称为弹道平面。3混凝土的侵彻研究进展3.1混凝土的侵彻破坏准则弹丸对混凝土的破坏包括两部分：弹丸本身撞击目标产生的破坏作用；冲击波引起的破坏。弹丸碰击混凝土障碍物后，使材料发生压缩和剪切变形，从而在表面出现裂缝，并产生脱落形成入口漏斗坑。弹丸头部在进入混凝土过程中产生剪应力，使大块混凝土破坏、脱落下来形成漏斗坑。随着弹丸的深入接触面积增大，剪应力相应减小，以至不能破坏大块的混凝土。此时混凝土碎成较小的颗粒并被排到两边去，形成孔道。弹丸的动能主要消耗在此过程中。弹丸对混凝土的侵彻深度与弹丸的结构有很大的关系。关键是有足够的强度，否则不能击穿工事或侵入最佳深度处。为了保证侵彻深度弹丸必须有足够的速度。根据经验，当弹速较小时，弹丸的侵彻深度也很小，仅在靶板表面形成开坑（图2-la);当弹速较大，侵彻到接近靶板背面时，靶背面出现崩落破坏（图2-lb);如果剪切应力超过了混凝土的剪切强度，还会产生冲塞破坏（图2-lc)。图为混凝土失效模式（a)开坑（b)破碎与剥落（c)冲塞破坏混凝土的破坏可以分为两种类型：受拉型和受压型。受拉型破坏的特征是脆性的，而受压型的特征是延展型的。受拉型破坏可以用主要张拉裂缝的形成和混凝土失去垂直于开裂方向的抗拉强度来定义。在受压破坏情况中，许多小裂缝不断发展，混凝土在各方向上都失去了强度。一般来说，混凝土的破坏理论是表示了一种应力或应变状态（也可是二者兼而有之），在这种状态下混凝土丧失了承载能力侵彻过程作为流体和固体的力学行为可以用非线性的偏微分方程组来描述，对这样的偏微分方程组一般得不到解析解，只能离散后求近似解。随着电子计算机的发明、发展到今天，数值计算的成本大大降低，而越来越复杂的数学模型与算法的提出，促进了有限元、有限差分等数值方法的发展。在科学技术研究中，可以用这些方法进行数值模拟，来选择最佳的实验与设计方案，从而产生巨大的经济效益与社会效应。现在，数值计算己经发展成为独立于理论与实验的一种基本的科学活动，成为科学研究中不容忽视的技术手段[23】。在数值计算中，材料的本构方程与边界条件的正确与否是计算获得准确解的关键。材料特性所带来的误差通常是计算误差的主要组成部分。因此，在用数值求解时，要力求材料参数的准确，必要时应进行弹与靶材料的动态力学性能实验研究和测定。混凝土的侵彻问题十分重要，一直是国内外一个活跃的研究课题，先后有许多软件曾被用来在进行混凝土侵彻的数值模拟。其中abaqus得到普遍应用。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。[1]真实世界的仿真是非线性的，SIMULIA将成为模拟真实世界仿真分析工具，它支持最前沿的仿真技术和最广泛的仿真领域.SIMULIA为真实世界的模拟提供了开放的，多物理场分析平台。SIMULIA将同CATIA,DELMIA一起，帮助用户在PLM中，实现设计，仿真和生产的协同工作。它将分析仿真在产品开发周期的地位提升到新的高度。ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。ABAQUS[1]有两个主求解器模块—ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥