弹载硬回收记录器炮击结构侵彻混凝土靶的数值模拟＊

汪 衡，田晓丽，陈国光，彭书丽

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

0 引言

随着航空航天业的飞速发展，需要精确记录越来越多的飞行实验数据。然而由于空间等因素的限制，无法安装无线遥控设备，硬回收记录器在此情况下应运而生。文中所研究的弹载硬回收记录器炮击结构即是用于记录存储炮弹从发射到抛撒全过程相关数据的硬回收记录器，要求其撞击目标后，保证内部存储器设备腔不受破坏。因此，为了对存储器炮击结构的材料选取和结构设计提供比较精确的数值依据，有必要采用ANSYS／LS－DYNA模块对该结构侵彻混凝土靶的过程进行仿真。

1 ANSYS／LS－DYNA仿真

本仿真建立弹载硬回收记录器炮击结构以550m／s的速度侵彻1m厚混凝土靶的几何模型，模拟真实环境下的侵彻情况，考查在侵彻过程中硬回收炮击结构的可靠性，为硬回收炮击结构的优化设计提供理论指导。

1.1 有限元模型建立

文中仿真的侵彻体是一弹载硬回收记录器炮击结构，主要由榴弹弹体，弹性材料和硬回收记录器炮击结构三部分组成，其中硬回收记录器的结构如图1所示。为了减少计算量和计算时间，在保证不影响仿真效果的前提下，可对混凝土靶进行适当的缩小，混凝土靶的尺寸为：800mm×800mm×1000mm。计算模型采用Lagrange算法，由于该模型的轴对称性，仿真使用四分之一模型。在对称面上施加边界约束，混凝土靶边界施加固定约束。榴弹和混凝土靶之间采用侵蚀接触算法，采用cm－g－us建模。

在划分网格时，采用SOLID164实体单元对计算模型进行映射网格划分。这种单元的运算速度快，精度比较高。对榴弹划分的网格大小约为1∶2mm，对记录器炮击结构划分的网格大小约为1∶2.5mm。

图1 记录器壳体结构的尺寸

为了提高计算精度同时又方便计算，混凝土靶主要参与接触部分的网格划分较密，网格大小为1∶8mm，其余部分网格划分较疏。全部划完的网格如图2所示。

图2 各部分有限元模型

1.2 材料模型及参数确定

在计算机上进行侵彻数值模拟，材料模型的选择对结果的准确性至关重要。本仿真中榴弹和记录器炮击结构的材料模型采用塑性随动的弹塑性模型PLASTIC＿KINEMATIC，该模型的优点是参数比较简单，容易确定，失效法则也比较灵活，非常适合多种工程金属材料（钢、铝、铸铁等）。在仿真模拟中炮击结构采用35CrMnSiA，其材料参数如表1所示。弹性体材料选用MAT＿ELASTIC材料本构模型，其参数如表2所示。

表1 炮击结构材料参数

表2 弹性材料参数

为了描述混凝土的非线性变形和断裂特性，在计算中引入了JOHNSON＿HOLMQUIST＿CONCRETE（简称H-J - C）本构模型及损伤模型。H -J-C本构模型能很好的描述高应变率条件下混凝土的响应问题，这种模型综合考虑了大应变、高应变率、高压效应，非常适合Lagrange和Euler网格下的计算模型，其等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函数，而压力是体积应变（包括永久压垮在内）的函数，损伤积累则是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的函数。混凝土本构模型的材料参数如表3所示。

表3 混凝土材料参数

2 仿真结果及分析

2.1 查看变形

利用 ANSYS／LS－DYNA 专用后处理器lsprepost查看弹载记录器炮击结构侵彻混凝土靶的变形情况如图3所示。

图3 穿透靶后变形情况

从图3可看出，在穿透混凝土靶后，榴弹的头部已经被破坏，但是硬回收记录器却保持良好的形状，其内部的接口电路腔和存储电路腔并无明显形变，可初步断定其内的存储电路设备不会因挤压而变形损坏。

2.2 存储器电路腔的体积变化量

记录器炮击结构的存储器电路腔是仿真最为关注的部分。存储器电路腔的高和半径随时间的变化情况如图4、图5所示，将数据导出，根据体积公式可求得体积随时间的变化趋势。

由图5可以看出存储器电路腔的初始高度为5cm，在侵彻的前2.5ms内，存储器电路腔的高度变化较为剧烈，最小时其值为4.9cm，比初始值减小1.87%。2.5ms以后，其值逐渐稳定在4.96cm左右，比初始值减小0.8%。图6的半径取值存储器电路腔最靠近底部的两点间的距离，因其最靠近碰撞的部分，所以在存储器电路腔中其相对于其余部分而言形变量是最大的。存储器电路腔原始的体积为98.125cm3。 由导出数据计算分析可以得到，在侵彻过程中，存储器电路腔体积的最大值为99.4cm3，最 小值 为 97.2cm3，其变化的范围是99.1%～100.4%，可确保其内部的存储设备不因挤压而变形损坏。

图4 存储器电路腔高随时间的变化曲线

图5 存储器电路腔半径随时间的变化曲线

2.3 记录器炮击结构速度、位移及过载分析

记录器壳体结构在侵彻过程中速度及位移曲线如图6和图7所示。

图6 记录器壳体结构的速度曲线

图7 记录器壳体结构的位移曲线

由图6可以看出记录器壳体结构在侵彻过程中速度大致分为三个阶段。第一阶段：0～0.5ms，速 度 由 550m／s降 为 350m／s 左右；第二阶段：0.5～2.5ms，速度 由 350m／s 降为100m／s左右；第三阶段：2.5～10ms，速度由100m／s 降 为47.7m／s 左 右。第一阶段记录器壳体结构受到的阻力最大，速度变化也最大。记录器壳体结构在第一阶段撞击混凝土靶时，在接触界面处产生很强的应力，并向记录器壳体结构和靶体内部传播应力波。由于混凝土的抗拉强度和抗剪切强度比抗压强度低，在应力波传播的过程中使得下面的混凝土产生径向裂纹，所以在第二阶段记录器壳体结构受到的阻力比第一阶段小，其速度变化也较为缓慢。记录器壳体结构的动能主要消耗在前两个阶段。在第三阶段，混凝土裂纹更多，尤其当记录器壳体结构侵彻到接近靶体底部时，混凝土靶底部出现崩落破坏，于是这一阶段记录器壳体结构所受的阻力最小，速度曲线更为平缓，最后速度保持在47.7m／s左右。由图7可以看出，记录器壳体结构在10ms中运动了113.3cm，穿透了给定厚度的混凝土靶。

记录炮击结构的Y方向过载如图8所示。

图8 记录器炮击结构的过载曲线

由图8的曲线变化趋势可以看出，加速度的变化主要集中在0～2ms，大致可分为4个阶段。第一阶段：0～209μs，最大值为350000g；第二阶段：209～764μs，最大值为230000g；第三阶段：764～1558μs，最大值为65000g；第四阶段：1558～10000μs，最大值为87000g。

记录器炮击结构撞击混凝土靶时，由于混凝土靶各部分受到的破坏不同，将其大致分成三层：粉碎层、断裂层和弹性层。在记录器炮击结构撞击混凝土靶的第一阶段，在接触面上瞬间形成很强的应力，从而产生一个很大的加速度，其值为350000g，脉宽为22μs。此时，在记录器炮击结构周围形成一个小的粉碎层，该层内混凝土靶比较酥松，记录器炮击结构受到的阻力迅速减小，加速度曲线在这一时间段也迅速下降。随着记录器炮击结构的继续侵入，进入第二阶段，该阶段的加速度最大值为230000g，在这一阶段的粉碎层中，由于记录器炮击结构与混凝土靶的接触面积增大，使得应力有所减弱，加速度曲线先呈振荡衰减的趋势，当记录器炮击结构进入断裂层时，所受应力逐渐增大，故加速度又呈振荡增加的趋势。当记录器炮击结构进入弹性层时，受到的应力较大，于是加速度曲线就出现了第三阶段的最大值65000g，在该阶段，由于受前两个阶段的影响，使得该层的破坏较为严重，故不像前两个阶段的加速度曲线变化那样明显。在第四阶段，记录器炮击结构受到的应力明显增大，所以该阶段产生的最大加速度为87000g，大于第三阶段的最大加速度值，之后逐渐振荡衰减。此时，记录器炮击结构已接近靶板底部，由于混凝土的抗拉能力小于其抗压能力，其底部形成的拉伸应力使得混凝土产生破裂，形成出口崩落，故第四阶段无弹性层，记录器炮击结构在这一阶段受到的应力很小，加速度值最后接近于零。

3 仿真结论及试验结果

通过仿真结果可以得知该记录器炮击结构在350000g的高过载下，以550m／s的速度侵彻1m厚混凝土靶，仍能保持良好的形状。尤其存储器电路腔的体积变形很小，完全可以保证其内部的电路设备不因挤压而变形损坏。验证了在侵彻过程中硬回收炮击结构的可靠性，为结构的优化设计提供了理论指导。之后进行了打靶试验，试验结果证明记录器炮击结构完好，可确保其内部电路正常工作，基本与仿真情况符合。

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