基于ANSYS/LS-DYNA的钻地战斗部侵彻混凝土靶数值研究

何 俊

基于ANSYS/LS-DYNA的钻地战斗部侵彻混凝土靶数值研究

何 俊

（安徽机电职业技术学院，安徽，芜湖241000 ）

采用ANSYS/LS-DYNA软件，对某钻地战斗部侵彻混凝土靶进行数值模拟。模拟了钻地战斗部在给定的初速与起爆时间下侵彻并毁伤混凝土靶板的过程，得出整个钻地战斗部的最薄弱位置在战斗部头部后端的战斗部薄壳体位置处；钻地战斗部完全侵入混凝土靶板后不同的起爆时间对混凝土靶板的毁伤效果差异不大。

钻地战斗部；ANSYS/LS-DYNA；混凝土靶；侵彻；数值模拟

混凝土是一种非常重要的建筑材料，在全球已被广泛应用于各种军事领域。据估计，目前世界上有近万处隐藏在地下的军事设施，其中一千余处是具有战略意义的洲际弹道导弹发射井、指挥与控制中心、生化武器生产与存储设施等[1]。钻地战斗部即人们常说的钻地弹[2-6]，它是对坚固地下工程和地下战略导弹基地等重要军事设施实施精确致命打击的最主要的武器。在海湾战争、科索沃战争、北约对伊拉克的战争中，以及对阿富汗塔利班基地组织进行的军事行动中，钻地弹对于敌方地下深层目标的摧毁显示出巨大的威力。故而，钻地战斗部对混凝土靶侵彻的研究受到世界各国的广泛重视[7]。

随着计算机技术的不断发展及计算力学理论的日趋完善，数值模拟方法逐渐成为研究弹体侵彻问题的主要手段[8]。数值方法不仅可以得出侵彻过程中各个参数的变化，并以图形方式输出弹与靶之间相互作用的状态；而且，利用模拟程序可以有针对性的选择不同的参数进行试算，找出该参数对侵彻与毁伤结果的影响大小[9]。本文应用ANSYS/LS-DYNA软件，模拟钻地战斗部侵彻并毁伤混凝土靶板的过程，并且对于模拟结果进行总结。

2　数值分析

2.1　钻地战斗部与混凝土的结构

钻地战斗部壳体材料为钢，为了取得较好的模拟效果，选取的钻地战斗部头部为钝形，其头部小端直径4.4 cm，头部高42.1 cm，弹体直径25.4 cm，壳体壁厚3.6 cm，壳体底厚8 cm，弹长152.4 cm，长径比为6，装药部长94.3 cm，直径18.2 cm，装药密度1.78 g/cm3，形状如图1所示。

图1 钻地战斗部形状

战斗部壳体采用(*MAT_JOHNSON_COOK)模型，其屈服应力的表达式为：

式中，为即时温度，0为室温，T为金属熔化温度。

战斗部装药使用TNT炸药，采用(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模型和JWL状态方程来共同描述炸药材料的能量释放过程。

混凝土靶板采用二维轴对称结构，靶厚为396 cm，密度2.65 g/cm3。混凝土作为一种典型的非连续各向异性的脆性材料，其结构复杂，靶板在战斗部侵彻过程和起爆的作用下，将发生断裂、破碎和飞散。本文混凝土靶板采用各向同性弹塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，该模型将体积响应和偏量响应解耦，偏量响应具有压力依赖屈服面的弹性一理想塑性，体积响应允许非线性压实，带有由拉伸截断定义破坏的非线性压实[10]。本构模型采用米塞斯屈服准则，破坏准则采用有效塑性应变失效准则。

2.2 建立模型

根据设定的模型尺寸，设计好本模型需要的16个点的坐标，本模型的坐标依次为1（0，0）、2（4.2，0）、3（0，42.1）、4（12.7，42.1）、5（0，50.1）、6（9.1，50.1）、7（12.7，50.1）、8（0，144.4）、9（9.1，144.4）、10（12.7，144.4）、11（0，152.4）、12（12.7，152.4）、13（0，-5）、14（198，-5）、15（0，-401）、16（198，-401）。在建模时，首先依次输入16个点的坐标，然后把各个坐标连成线，生成钻地战斗部与混凝土靶板模型的轮廓，再利用这些线生成战斗部与靶板模型的面，如图2所示。随后对同一种材料的面使用布朗运算进行粘贴，最后使用MeshTool面板为模型划分单元网格。

战斗部与装药部以及混凝土靶板网格划分均采用四边形Lagrange网格。计算模型使用二维实体solid162单元进行划分，采用轴对称法（Y轴为对称轴）。弹丸与靶板接触采用*CONTACT_2D_ AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE算法，在靶板边界处设置全约束。

图2 计算模型的面

2.3 模拟结果

本次采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟设定钻地战斗部初始速度为600 m/s，起爆时间为4 ms。图3给出战斗部各时刻的径向速度，战斗部壳体在4 ms装药起爆前径向方向上是稳定的，速度基本为0；在装药起爆后在其径向方向速度迅速上升，并在瞬间达到了最大值后而马上回落，短时间内出现较大的波动，但随后快速趋于稳定，回到装药起爆前的状态。

图3 战斗部径向时程曲线

图4 战斗部轴向时程曲线

图4给出战斗部各时刻的轴向速度。从头部侵入到混凝土开始至战斗部装药起爆前，钻地战斗部在轴向方向上的速度稳定下降，其速度降几乎与战斗部侵入时间成正比。在战斗部装药起爆后，战斗部轴向方向速度出现波动，战斗部速度在轴向负方向上瞬间有小幅度提高，而随即便大幅度的下降，之后战斗部轴向方向速度又像战斗部侵入混凝土至起爆前的状态，逐步稳定的下降。

图5和图6分别给出0.1 ms、1 ms、2.5 ms、4.3 ms四个时刻战斗部与靶板的Von Mises应力图。从图中可以发现，在时间为0.1 ms时，此时是钻地战斗部在混凝土靶板上进行开坑的阶段，应力主要集中在钻地战斗部的头部及靶板与之接触位置。钻地战斗部头部与混凝土靶板接触处发生轻微塑性变形。在时间为1 ms时，钻地战斗部头部完全侵入混凝土靶板中，此时在钻地战斗部壳体上都有应力分布，而应力集中出现在钻地战斗部头部与头部后端的战斗部壳体位置处，钻地战斗部头部的形状在混凝土的阻力下继续改变；与此同时，混凝土靶上的应力集中出现在钻地战斗部头部的压缩混凝土方向的前部，此位置的混凝土被钻地战斗部头部压碎破坏。在时间为2.5 ms时，此时整个钻地战斗部完全侵入混凝土靶板中，这时钻地战斗部壳体上也都有应力分布，并且与1 ms时刻一样，应力集中仍然在钻地战斗部头部与头部后端的战斗部壳体位置处，并且钻地战斗部头部的塑性变形更加严重；与之相应的混凝土靶上的应力较为集中位置亦是在钻地战斗部头部的压缩混凝土方向的前部，钻地战斗部头部继续压缩破坏其前方的混凝土。在时间为4.3 ms时，由于钻地战斗部装药在4 ms时刻起爆，装药爆炸释放的能量以力的形式作用在钻地战斗部壳体上。所以这时在整个钻地战斗部壳体上都出现了较大的的应力集中，不仅钻地战斗部头部的塑性变形更加剧烈，而且战斗部壳体在径向出现严重的变形。而此时的靶板的应力分布在以钻地战斗部为中心的区域内，并且离钻地战斗部越近，应力分布越集中。

就整个侵彻阶段而言，钻地战斗部的应力集中出现在头部与头部后端的战斗部薄壳体位置处，即这两处是整个钻地战斗部最易产生塑性变形的位置。但因为钻地战斗部的头部在侵彻混凝土靶板过程中产生塑性形变不可避免，而且钻地战斗部头部为实心部，已为塑性变形做准备，所以整个钻地战斗部的最薄弱位置在战斗部头部后端的战斗部薄壳体位置处。整个过程中，靶板应力从钻地战斗部侵入混凝土靶板阶段便产生，在钻地战斗部侵彻混凝土阶段中，混凝土靶板与钻地战斗部接触的区域都有应力分布，而混凝土靶板承受的集中应力多出现在钻地战斗部头部对混凝土的侵彻压缩的区域内；在钻地战斗部起爆后，钻地战斗部装药的能量对战斗部壳体施加力，战斗部壳体也对混凝土靶板产生力的作用，所以装药起爆后靶板的集中应力分布在与钻地战斗部接触的四周位置，并以应力波的形式呈球形向外围扩展，距离球心越近，其应力越大。

钻地战斗部最终目的就是毁伤混凝土，对混凝土靶板造成破坏。本文分别设定装药部起爆时间分别为1 ms、2 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms，使用LS-PREPOST后处理程序分离出不同装药起爆时间后被爆炸破坏混凝土靶板，如图7所示。由模拟结果可知，当起爆时间过早时，钻地战斗部没有完全侵入混凝土靶板中，战斗部装药爆炸的能量一部分被释放到外界而非混凝土靶板中，这时混凝土靶板被爆炸毁伤的面积就没有钻地战斗部完全侵入混凝土靶板中爆炸毁伤的面积大；而当钻地战斗部完全侵入混凝土靶板后，起爆战斗部装药的时间对混凝土靶的毁伤面积没有太大的差异。所以当战斗部彻底侵入混凝土靶板后，战斗部装药在何时起爆可根据实际需要来设定。

图5 不同时刻战斗部应力分布

图6 不同时刻混凝土靶应力分布

3　结论

通过本次模拟得到如下结论

（1）钻地战斗部侵彻混凝土靶与装药起爆前，径向方向是稳定的，阻力主要来自轴向，且轴向速度稳定下降，与时间几乎成正比，起爆后径向与轴向速度都有较大波动，之后很快趋于稳定，回到起爆前的状态。

（2）通过本次模拟，得到了战斗部侵彻混凝土靶开坑、倾入、起爆过程中弹与靶的应力分布，整个钻地战斗部的最薄弱位置位于战斗部头部后端的战斗部薄壳体位置处。

（3）当战斗部彻底侵入混凝土靶板后，无论是在多大的侵彻深度起爆战斗部装药，其对混凝土靶板的毁伤效果并无明显差别，由此战斗部装药在何时起爆可根据实际需要来设定。

本次模拟研究的结论可以为动能钻地战斗部的设计提供一定的参考，也可以为地下防护工程的设计提供帮助。

图7 不同时刻起爆对靶板的破坏效果

[1] 张学伦,曾燚.钻地战斗部与地下目标毁伤关系的分析[J].四川兵工学报,2008,29(3): 6-8.

[2] 刘永远,姜正平,张进.钻地弹及其发展趋势[J].飞航导弹,2006(3):34-37.

[3] 梁斌,陈小伟,姬永强,等. 先进钻地弹概念弹的次口径高速深侵彻实验研究[J]. 爆炸与冲击,2008,28(1):1-9.

[4] 周燕.钻地弹土中弹道影响因素的数值模拟研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2009.

[5] 何丽灵,陈小伟,范瑛.先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析[J].爆炸与冲击,2012,32(5):515-522.

[6] 郭锦炎,阮文俊,张丁山,等.半无限厚混凝土靶侵彻损伤的实验与仿真[J].弹箭与制导学报,2012,32(3): 103-106.

[7] 姚鹏,徐波,高有涛.高速及超高速钻地弹侵彻土壤深度及轨迹的研究[J].测试技术学报,2013,27(6):521-528.

[8] 何雨.长杆弹撞击下金属靶板侵彻与穿透的进一步研究[D].合肥:中国科技大学,2013.

[9] 郑振华,余文力,王涛.钻地弹侵彻高强度混凝土靶的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2008,28(3): 143-146.

[10] 周培毅,李世才，姚剑虹.钻地弹侵彻混凝土靶的数值分析[J].北京理工大学学报,2003,23(增):357-361.

NUMERICAL SIMULATION OF EPW PENETRATING CONCRETE TARGET BY ANSYS/LS-DYNA

HE Jun

(Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000, China)

The numerical simulations of EPW penetrating concrete target were completed by ANSYS/LS-DYNA. We mainly simulate the process of burrow warheads in given velocity and initiating time chester and mutilate concrete target invasion. The simulation concludes the weakest position of EPW is located at the warhead thin shell in the rear of the warhead head. After EPW completely invades concrete target board, the destructive effect on the target board is so little difference at different initiation time.

ANSYS/LS-DYNA；concrete target；penetration；numerical simulation

TJ760.3+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.019

1674-8085(2014)03-0081-05

2014-03-17；

2014-04-15

何俊（1978－），男，安徽旌德人，讲师，硕士生，主要从事动力学仿真研究(Email: ahjdhj@126.com).