小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟

第29卷第1期 2009年02月 弹箭与制导学报 JournalofProjectiles。Rockets．MissilesandGuidance V01．29No．1 Feb2009 小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟’ 蒋建伟，张 谋，门建兵 (北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室．北京 100081) 摘要：采用AUTODYN软件中基于Mott分布生成自然破片的Stochastic材料破坏模型。对30mm小口径 榴弹壳体膨胀和自然破碎过程进行了数值模拟，获得了破片初速、飞散角沿轴向曲线分布及破片质晟分布，仿 真结果与破碎性试验回收破片的统计结果吻合较好。 关键词：榴弹；自然破片；数值模拟；破坏模型 中图分类号：TJ012．4文献标志码：A NumerieaISimulationoftheFormationofNatural FragmentsfromaSmallCaliberShell 儿ANGJianwei．ZHANGMou。MENJianbing (StateKeyLaboratoryofScienceandTechnologyofExplosion．BIT．Beijing100081。China) Abstract：ThispaperintroducestheformationofnaturalfragmentsuseStochasticfailuremodelsofmaterialbasedon MottdistributioninAUTODYN-3D．Theexpandingandfragmentationpatternofashellwithcaliber30ramissimula。 ted．Theinitialvelocity、distributioncurveoffragmentsdispersionangleandqualityofnaturalfragmentsareanalyzedin coordinate．Theinvestigationresultsofnumericalsimulationarequiteagreementwiththefragmentationtestresultsofshdl． Keywords：shell；naturalfragment；numericalsimulation；failuremodel 0 引言 近年来，随着计算技术和材科学的发展使得 模拟金属壳体破裂和自然破片成为可能，非线性 动力 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件AUTODYN开发了基于Mott非 线性分布的Stochastic破坏模型【1]，该模型应用 概率统计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 模拟自然材料真实缺陷及在爆炸 载荷下破碎的过程，对各种复杂几何形状金属壳 体的爆炸驱动和破裂过程进行仿真，获得逼近材 料真实的破裂和自然破片形成规律。 文中介绍了基于Mott分布生成自然破片和 Stochastic模型的基本原理，应用AUTODYN 软件和模型模拟了30mm口径榴弹的壳体膨胀、 自然破片形成过程及分布特征，获得了破片速 度、飞散角沿轴向的曲线分布及破片质量分布， 将仿真结果与破碎性试验回收的破片质量分布 进行了对比，两者结果符合良好。研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，数值模拟方法可作为自然破片式战斗部优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的有效工具。 1仿真计算模型 1．1 Stochastic模型H3 AUTODYN软件【23的内置Stochastic应力 破坏模型基于概率统计方法表征导致物质破坏 和裂纹产生的固有缺陷分布，通过在材料模型内 随机添加一些弱化点[13来表征材料固有的缺陷分 布，并设定弱化点处网格应变不能承受负压力或 剪应力，这样可定性描述使用不同分布的Stochas— tic模型时的离散几何体模拟真实材料的破坏模 式，根据不同分布得到不同数量和大小的破片。 对金属壳体的内部缺陷，使用一个随机分布 设置弱化点来表征其破坏位置，并在壳体内赋予 弱化点以不同的破坏期望。在离散化模型中，不 同网格的极限破坏应力是通过真实的随机数布 设的，所有网格设置相同起始破坏应力。对理想 各向同性材料，破坏概率在[o，1]范围内，并以材 *收稿日期：2008一03—15 作者简介：蒋建伟(1962--)，男．教授．博士生导师．研究方向：弹药系统与仿真。 万方数据 第1期 蒋建伟等：小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟 ‘115· 料承受应力为自变量曲线。Stochastic破坏模型 选择了描述战斗部自然破片大小和质量分布的 Mott分布： 一 ，’ 一 P一1一expI一詈e7‘l(1) L ， J 式中：P是应变￡时的破坏概率，C、y是取决于材 料性质的常数。 ‘大多数情况下模型中分布参数设置。在达到 材料破坏应变的45．5％时开始有弱化点，破坏 起始概率大于0．05。不同材料有不同的C常量和 ’，值，通常y值取lo时破片数量与实验较接近。 1．2小口径榴弹计算模型 图1为直径为30mm的小口径榴弹，它由 58SiMn钢壳、B炸药和引信组成。其中：壳体 平均壁厚3mm，弹底厚5．3mm，质量148．49；装 药CompB，密度1．639／cm3，质量41．79；全弹重 2239。 度模型及破坏准则列于表1。材料参数取自 AUTODYN一3D材料数据库‘21。 表1计算所用材料模型 采用Lagrange方法和自动面接触侵蚀算法 进行计算。设置随机应力破坏中的Mott分布参 数，可获得壳体材料在不同装药下产生的破片数 量和质量分布。 文中计算时选择C一4．67×102和)，=lO， 并设定随机破坏从材料破坏应力的50％开始。 2数值模拟结果及分析 针对建立的30mm小口径榴弹离散化模型， 采用AUToI)YN一3D软件在HP8200工作站进 行了仿真计算。图3为获得展示从起爆开始壳体 图1小口径榴弹结构 膨胀、破裂和形成破片过程典型时刻的图像。 采用AUTODYN一3D对该弹丸进行三维建从图3可以看出，当起爆至4肛s，在引信起 模，建模时忽略弹带部分，引信用实心铝材代替， 爆点附近壳体就开始出现轴向破裂，起爆8|￡s 为表征出壳体破裂及不同质量破片空间分布，建 时，壳体自起爆点开始周向破裂，并沿轴向扩展， 立有足够分辨率的全弹网格模型，其中网格平均 至起爆12弘s时刻，壳体周向已全部破裂，同时底 尺寸为壳体0．5mm，引信1．5mm，装药1．0mm。部出现轴向破裂，自然破片基本形成；起爆至 壳体网格、引信和装药网格数分别为148422、18肛s时，壳体圆柱部形成以纵向裂纹为主大小 8883和24613。三维离散模型如图2。 不一的自然破片。破片形成的数值模拟过程的 描述与实际过程基本一致。 图4、图5描述了壳体破碎时的破片初速和飞 散方向角沿轴向分布的模拟结果，表2为自然破 片初速、破片飞散方向角以及飞散角的模拟结果。 表2数值计算结果 初速分布／(m／s)平均初速／(m／s)飞散方向角／(。)飞散角／(。) 1182～14601316 87．1～】02．1 15．0 3 实验验证 曼。。竺?兰冀翟竺冀，!苎氅置尊竺螫 总数926个，粪中质量大于o．19的破片446个。 ．． 口径榴弹生成的破片质量分布，仿真计算出破片 钢壳、炸药和引信材料采用的状态方程、强 芸茎言矗壶薹矣≠f；三裔矗苒菇磊；：≥差 万方数据 · 116· 弹箭与制导学报 第29卷 图3小口径弹破片形成过程图 图4破片初速沿轴向分布曲线 0 1 0．2 o．3o．4 o，5 o．6o 7 O8 0．9 l，0 I 5 2．O 25>3 破片质量／g 图6破片质量、数量的数值模拟与实验对比图 有一定的出入，但破片数量、质量分布与实验吻 合较好，证明数值模拟的材料参数选择可取，计 算得到的大部分破片质量在0．1～0．89之间。 由于计算模型是一定尺度的离散，计算中生成一 些很小质量破片，故取质量大于0．19的破片为 有效破片，质量小于0．19的破片忽略不计。 图7为对该30ram小口径榴弹进行了扇形 图7爆炸回收破片分布 图5破片飞散方向角沿轴向分布曲线 靶回收破片试验，爆炸后按质量范围回收的分类 量数量分布比，模拟结果和实验的破片数对比如 的破片。试验时弹丸距靶板8．2m,试验后对形 图6。 成的破片进行分类统计，验证了使用Stoc’hastic 从图6可看出计算得到的破片总数和实验 材料破坏模型在基于Mott分布下生成随机自然 万方数据 第1期 蒋建伟等：小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟 ·117· 破片的数值模拟方法可行，使对爆炸破碎瞬态以 及单个破片迹线的分析和描述能更准确的实现， 但对模拟破片的速度及飞散角的分布还有待进 一步实验验证。 4 结论 应用Stochastic应力破坏模型对30mm直 径小口径榴弹的壳体膨胀、自然破片形成过程进 行了数值模拟，获得了破片初速、飞散角沿轴向 分布以及破片质量分布结果。通过破碎性试验 验证和破片回收对比，表明采用Stochastic材料 破坏模型进行仿真计算可以清晰地描述榴弹破 裂和自然破片的形成过程，较准确地预测包括破 片质量、初速和飞散角等破片的威力参数，实现 随机破片的量化分析。 参考文献： [1]JonathanPGlanville．·GregFairlie．ColinHay． [23 [3] [4] hurst．eta1．Numericalsimulationoffragmenta— tionusingAUTODYNTM2D&3Dinexplosive ordnancesafetyassessmentEc]／／6thPARARI InternationalExplosiveOrdnanceSymposium． Canberra．Australia．29—31October2003：2—8． Interactivenon-lineardynamicanalysissoftware AUTODYNTMusermanual[M]．revision4．3 CenturyDynamicsInc．2003． 张崇玉．谷岩．张世文。等．爆轰波对碰驱动下金 属圆管膨胀变形特性研究J-j]．爆炸与冲击， 2005．25(3)：2—4。 YangYunbin．QuMing．QianLixin．Thestudy onlethalitysimulation"methodforfragmentation warheadl'C]／／22ndInternationalSymposium0n Ballistics。VancouverBCCanada．14—18Novena— bet2005：2--8． —卜—■——■—————■‘-———■一—■——■一—+—+-———+—+—+-+—+—+—■——■——+——●-—+·+—H-+—■—·■——+-+·■H—+——●—+-■---．—·■——+—●——+—+—■_．—+——+——●叶 (上接第113页) 900 800 铀 芒 毫700 600 500 图12弹体质量变化时程曲线 2)在一定范围内，命中速度越高，侵彻弹体 加速度峰值和质量损失急剧增加，弹体破坏严 重，表明刚玉块石混凝土遮弹层具有优良的抗弹 丸高速侵彻特性； 3)刚玉块石越大，刚玉块石混凝土抗侵彻性 能越强，但超过一倍弹径之后，弹体侵彻深度减 小不明显，一倍弹径大小的刚玉块石是抗某航弹 的理想尺寸； 4)刚玉块石之间填充混凝土宽度对刚玉块 石混凝土抗侵彻能力影响明显，填充混凝土的宽 度越大，弹体侵彻深度越大，填充宽度以不超过 0．10倍弹径为宜。 参考文献： [13唐德高。贺虎成．陈向欣．等．剐玉块石混凝土抗弹 丸侵彻效应试验研究[J]．振动与冲击．2005。24 (6)：37--39． [2]周布奎．唐德高．陈向欣．等．刚玉块石砼抗侵彻特 性试验研究[J]．实验力学，2004．19(1)：79—84． [3]周布奎。周早生。唐德高．等．刚玉块石粒径对刚玉 块石砼抗侵彻性能影响的试验研究[J]．爆炸与冲 击．2004。24(4)：370一375． [4]局布奎．周早生，唐德高．命中角对刚玉块石混凝 土抗侵彻性能影响的试验研究[J]．防护 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ． 2004．26(5)：18—22． [5]周布奎．唐德高．周早生．等．命中速度对刚玉块石 混凝土抗侵彻性能的影响[J]．爆炸与冲击，2005． 25(1)：59—63． [6]贺虎成．刘晓华．唐德高．弹体冲击效应试验的数值 模拟分析[J]．振动与冲击．2007。26(II)：9l一94． 万方数据