数值模拟技术在钻地武器研制中的应用

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　　摘   要：文章采用数学模拟法在钻地武器研制过程中进行算法和应用分析，比较不同算法的优越性，阐述了目前所使用的主要计算程序。作为案例分析，采用非线性动力有限元分析，能够对防空建筑在弹头侵彻条件下的动态响应和应对变化情况进行准确计算，通过图形展示部队在战斗过程中侵彻时的形变和速度，以及质量随时间的具体变化情况，分析了在武器设计过程中，数值模拟技术的应用性。
　　关键词：数值模拟技术;钻地;武器;研制;应用
　　1    数值模拟计算应用现状分析
　　当钻地武器钻入地下之后会爆炸，能够提升威慑力并摧毁对方深埋地下的指挥和控制中心武器设施等。1960年，美国已经开始进行钻地武器的相关研制，并开始了一系列的理论分析和实验探究，目前研制了多种专利武器。设计、研发专利武器时，首先，需要通过准确计算模型;其次，进行实验、修正、验证、设计、分析和计算钻地弹对靶体侵彻问题，通常采用3种方法，即经验法、解析法、数字模拟法。可以使用经验法进行数据综合回归性分析;使用解析法利用简单力学模型获取结果，包括球形空腔、微分面力原理等;采用数值模拟法利用现代数值进行数据求解，包括有限元分析、离散元分析等，由于受到经费、场地等多种因素限制，目前该方法在使用过程中具有十分重要的作用[1]。
　　2    具體计算
　　侵彻计算受到随机节点和主动节点两者相互作用，可以模拟三维撞击侵彻问题，可通过操纵随动节点、主动节点起到控制作用，没有重新定义接触面，可从一定程度上避免滑移面的复杂性分析，使用具备沙漏和单点求积的参六面体，8个节点24个自由度，进而将其引入六面体元简化运算方法，提升运算速度，能够避免四面体刚度。当塑性应变超过某一值时会出现单元侵蚀，无法承受压力应力，虽然有一定程度的分离，但质量是保持在节点上的。相比理论分析和实验探究，通过数值模拟能够在一定程度上更加深刻了解问题结果，同时能够实时、连续动态反映事物的发展趋势，了解整体和局部的关系，此外采用数值模拟的方式能够直观地表现目前无法观测或解释的现象，更容易被他人理解，还能够显出实验无法看到的结构内部物理现象变化。采取数字模拟的方式能够促进实验发展，为实验制定科学方案，在实验过程中选取最佳测点位置，确定仪表量程等，为其提供可靠理论指导[2]。
　　光顺质点流体动力（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）算法是由LUCY应用的，在早期使用过程中主要应用于天体物理，在20世纪90年代逐渐应用于高速碰撞问题的解决，其主要推力是拉格朗日坐标中强畸变计算，该方法也是拉格朗日坐标，无单元固定格点，具备可变节点连续性，能够用于处理畸变问题，引入标准拉格朗日程序，可用于模拟靶材撞击的破坏程度，进一步准确计算碎片尺寸。
　　3    典型的算例分析
　　在有限元计算模型中，某空防护坑道及断面是一种拱顶型，其宽度为2 m，墙高为2.2 m，拱高为1 m，混凝土厚度长达2 m，钻地弹弹端头呈现半圆形结构，半径和子弹长分别为0.4 m，2.5 m，以1 500 m/s的子弹侵彻速度进行混凝土侵彻，其角度为75°。设定通道长度为12 m，由于结构或者形状呈现对称性，因此可以选取50%的结构进行网格划分，在对称面上施加相应的对称条件，利用8节点三维实体单元网格划分其物理模型，在材料模型中弹塑性硬化材料是对von mises的屈服应力条件，如公式所示：
　　在该公式中，应力偏张量用Sij表示，屈服应力用σy表示，初始屈服应力用σ0表示，应变率可以用ε表示，P，C是常数值，有效塑性应变用εPeff表示，塑性硬化模量用Ep表示，弹性模量切、线模量是确定值，硬化参数为β。
　　在本研究中可以将弹塑性硬化模型作为研究材料，弹体、混凝土间的接触面使用面面接触侵彻算法进行分析，在水泥计算时可以使用控制等效塑性失效应变，对失效单元节点进行删除，具体数据：子弹密度为7.89×103 kg/m3，相应的杨氏弹性模量E数值为2.1×1011，泊松比为0.3，初始屈服应力为1.33×109 Pa，切线模量为2×1011 Pa，硬化参数为1.0，失效应变为0.8。对应的混凝土密度为2.68×103 kg/m3，相对应杨氏弹性模量为7.2×109 Pa，泊松比为0.29，初始屈服应力为7.3×107 Pa，切线模量为3.0×109 Pa，硬化参数为1.0，失效应变为0.8。根据上述参数进行结果计算时，可以采用lsdyna非线性动力有限元分析对整个计算侵彻过程完成三维数值模拟，给出相对应的侵彻完整图像过程，设置模拟结果与实验结果具有良好一致性，计算单位使用千克、长度、时间、力、压强表示，模拟时间为0.005 s。子弹和混凝土接触之后，弹体混凝土会形成塑性变形，继续侵彻则子弹或者混凝土材料破碎，弹体明显缩短，在整个侵彻时会使弹头形状发生变化，由开始的半球形逐渐变为平头型，最后在子弹贯穿混凝土之后的通道上形成喇叭状弹坑，可以发现在初始碰撞之后，应力波从碰撞点逐渐向子弹内部进行传播，并且子弹应力分布不均匀，进一步说明混凝土和弹体所受外力是一种非对称性作用力，在整个侵彻过程时，弹体、混凝土内部的应力波是来回传播的，弹体的头部受到较大应力逐渐会被侵蚀掉，子弹速度与时间的关系如图1所示。
　　由图1可知，子弹的运行速度和质量随侵彻逐渐减小，在时间为0.003 s时子弹穿透混凝土逐渐趋于稳定。
　　利用数值模拟法分析上述钻地弹侵彻的不同算法过程中，相对来看只有采用数值模拟法可给出钻地弹重要部位应力应变速度等信息，对于钻地弹结构的设计、参数优化、方法验证来说是十分重要的。比如美国有关专家设计的某钻地弹模型能够从有限元分析和侵彻实验两个方面深入探究，通过模拟计算能够获取其他方法无法获取的结果，还与实际结果具有良好的吻合性，但采用数值模拟过程中需要已知多种结构参数、本构关系，并且该方法是一种近似求解法，最终还需要通过实验进一步验证[3]。 　　4    数值模拟法在钻地武器研制中的具体应用
　　方案设计和优化。在具体设计某新型战斗武器时，工作人员还需要提出具体的技术指标，研制部门需要根据指标进一步开展设计。在论证过程中，采用数值模拟法作为技术指标和方案提出的重要手段，能够对不同方案进行数值模拟。在确定方案的情况下，已知弹头结构模型材料，通过数值模拟法进一步获取各技术战术指标的结果，通过比较结果挑选最佳的设计方案，并能够对方案提出有效的整改意见，根据某方案确定合理指标参数。利用数值模拟法可以为新型武器在设计验证、战术指标合理优化过程中提供重要的设计依据。
　　在武器损伤评估过程中，对于其他武器或者钻地武器来说，其具体的打击效果是目前人们高度重视的过程。根据上述研究可知，采用数值模拟法能够模拟钻地战斗过程中對不同目标侵彻和破坏程度，同时该方法已经可用于模拟新型战斗部，获取任意目标的破坏程度和相应的处置结果。
　　5    结语
　　通过对钻地武器进行数值模拟分析，进一步预测子弹靶材料的运动响应情况，能够在一定程度上帮助人们更好地观察实验的现象。通过验证弹头撞击靶体，假设能够对整个系统进行分析，找出不同变量的相互影响，选择多种参数完成计算，拓展实验参数数据，对于高速冲击过程、求解弹性材料、分析几何形状设计来说都是十分重要的，能够从一定程度上缩短武器在研制过程中的周期。
　　[参考文献]
　　[1]郑朔昉，何瑞恒.标准视图在装备研制中的应用方法研究[J].标准科学，2017（3）：60-64.
　　[2]祁萌，李晓红，徐林.国外国防领域武器装备研制中增材制造技术应用现状分析[J].国防制造技术，2018（1）：30-31.
　　[3]安德里茨.安德里茨最新研发的脱水技术装备在奥地利首次应用[J].中华纸业，2019（10）：74.
　　Abstract：In this paper， the mathematical simulation method is adopted to analyze the algorithm and application in the development of drilling weapon， and the advantages of different algorithms are compared. As a case study， using the nonlinear dynamic finite element analysis， to be able to air defense construction under the condition of the warhead penetration is accurate calculation of dynamic response and cope with change of， through the graphic display units in combat penetration in the process of deformation and speed， and specific changes with time， the quality in the analysis， the weapons， the application of numerical simulation technology in the design process.
　　Key words：numerical simulation technology; burrow; weapons; development; application
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