19-弹丸侵彻钢靶的数值模拟

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1、第四届中国CAE工程分析技术年会论文集弹丸侵彻钢靶的数值模拟1123孙河洋，马吉胜，陈謇，范兆军（1.军械工程学院火炮与自动武器教研室，石家庄050003;2.73909部队，江苏徐州，221004；3.31基地，吉林白城，137001）摘要：运用MSC.Patran软件建立了弹体以及靶体的有限元模型。利MSC.Dytran软件模拟了弹体侵彻靶体的过程，分析了侵彻过程中弹体和靶体的应力状态，重点分析了弹体前端以及后端的受力情况，为深入理解这一复杂过程提供了参考。关键词：有限元；冲击；数值模拟；MSC.Dytran;应力SimulationofPenetratingofSteelTa

2、rgetPlateAbstract:AmodelofpillandsteeltargetplatewasbuiltbasedonMSC.Patransoftware.TheprocessofpillpenetratingthesteeltargetplatewassimulatedbyMSC.Dytran.Thestateofthestressofthepillandthesteeltargetplateduringtheprocessofpenetratingwasanalyzed.Thestressstateoftheforesideandtheafterbodyofthepi

3、llwasespeciallyanalyzed.Keywords:finiteelement;impact;simulation;MSC.Dytran；stress1引言弹丸侵彻靶体的研究一直是国防科技领域的重要课题，近些年来，国内外进行了大量的此方面的研究，但由于种种条件的限制，关于弹丸侵彻问题尚未建立起完善的理论以及精确的解析表达式。大多数的研究偏向于试验，但试验具有费用高，难度大等缺点，而随着现代计算机技术高速发展而兴起的数值模拟技术就能很好的解决此类问题。数值模拟可以省去解析方法中大量采用的简化和假设，可以更真实的模拟侵彻过程。本文采用前后处理软件MSC.Patran及大型

4、非线性有限元软件MSC.Dytran提供的接触算法模拟弹丸以1500m/s的速度侵彻钢靶的过程。2有限元模型2.1模型的简化（1）为方便建模及减少网格的数量，提高计算效率，弹丸的建模仅选取一细长杆来代替；（2）靶体选用一长方体钢块来代替，仅对其四周实施刚性约束；（3）弹前空气阻力略去不计。2.2实体的有限元模型弹体和靶体全部采用HEX8单元进行离散，其中弹体共划分单元3620个，靶体共划分单元9526个。在可能发生碰撞接触的地方，网格需细密划分以防止网格产生畸变使计算难以维系，在非碰撞区域网格可适当的粗划分，以节约计算成本，减少计算时间，但网格的粗细过渡要均匀。图1为建立的靶体和弹

5、体的有限元模型。从图上可以看出靶体上和弹体接触的部分网格明显细密。第四届中国CAE工程分析技术年会论文集3材料属性和算法理论依据3.1材料模型的建立本次模拟中弹丸的材料钨合金A17，靶体的材料为钢。本文选用通用材料卡DMAT;在侵彻过程中弹体以及靶体材料会有剧烈变形，且两者摩擦会产生高温，故采用Johnson-Cook屈[3][5]服模型，该模型中屈服应力是塑性应变、应变率以及温度的函数：..nm*σεε=+(AB)(1+Cln(/ε))(1−T)yp0(1)*TTTTT=−()/()−rmr(2).p.T其中，ε为等效塑性应变；ε为等效应变率；ε0为参考应变率；T为温度；Tr为室

6、温；m为融化温度；A、B、C、m和n是常量。[6]图1弹体及靶体有限元模型图2接触算法流程图3.2自适应接触算法（AdaptiveContact）接触算法是不对称的，接触面分为“主面（MasterSurface）”和“从面（SlaveSurface）”每个面都由面段集组成，主从面必须分开，一个面段不能同时属于主面和从面，接触算法的实质其实是用属于“从面（SlaveSurface）”上的点（“从面”其实是“从属点”的集合）来检测其是否穿透主面，而不进行检测主面节点是否穿透从面节点。其算法流程如图2.本文采用自适应接触算法，该模型对于某些实际工程问题如侵彻问题的过程分析，很有实用价值，

7、其是主从面接触或单面接触的一种特殊形式，这种接触模型能使仿真过程中，当分析对象发生局部破坏的情况下，依然存在正确的接触关系。[5]3.3沙漏效应的抑制Dytran对于六面体单元采用单点高斯积分，由于只有一个积分点，单元的某些变形模态第四届中国CAE工程分析技术年会论文集不具有刚度。有可能引起沙漏现象的产生，如不加以抑制，则会降低计算精度，缩小时间步长，直到最终由于单元边长变成接近于零而使计算终止。通过PARAM卡片定义参数可以适当抑制沙漏效应，而最重要的则是有限元建模