爆炸成形弹丸地雷对钢制装甲板侵彻分析

CAE大拿

1 模型介绍
采用多物质欧拉法模拟EFP战斗部爆炸成形过程，以及高速弹丸对靶板和后效靶板的侵彻过程。由于地雷是圆柱形，100mm厚装甲钢板是正方形的，具有对称性，为了减少计算量，仿真模型才有1/2模型，如下：计算模型如下：

爆炸成形弹丸侵彻装甲钢计算模型

1.1 欧拉域模型
欧拉域是物质运动的空间，采用多层填充法实现多物质定义，即在不同的空间填充不同的物质，若再相同的空间填充两种以上的物质，则最后一层填充物起作用。欧拉域采用长方体体单元建模，定义PEULER1 MMSTREN属性。最初的填充物为理想空气，通过理想气体状态方程描述空气。选用Dytran的Idea Gas（DMAT） Euler solid材料卡为空气建模。

欧拉采用非均匀网格时，网格尺寸保证不大于或小于相邻网格尺寸的1.3倍。可以通过等比例布置种子节点的方式划分网格。

为了比较好的描述物质界面，最小欧拉单元尺寸，应该小于最小部件尺寸。比如本模型中药罩是4mm厚，所以在药罩附近欧拉网格尺寸也要基本小于4mm。

欧拉域的网格如下图所示：

欧拉网格

1.2 壳体、药罩模型
壳体、药罩材料表面划分常规壳元，定义dummy shell属性，壳元围成的封闭空间填充欧拉材料。选用Dytran的ElasPlas（DMAT） Euler solid材料卡。
壳体、药罩材料表面网格如下图所示：
  
壳体、药罩表面网格

1.3装甲板模型
100mm厚装甲板表面划分常规壳元，定义dummy shell属性，壳元围成的封闭空间填充欧拉材料。选用Dytran的ElasPlas（DMAT） Euler solid材料卡。

装甲板材料表面网格如下图所示：

装甲钢表面网格

1.4 火药模型
火药表面划分常规壳元，定义dummy shell属性，壳元围成的封闭空间填充欧拉材料。选用Dytran的JWL状态方程描述火药爆轰过程。

材料表面网格如下图所示：

火药表面网格

2 材料模型介绍
2.1理想空气材料卡
本项目对于理想空气的模拟，采用理想气体状态方程模拟，即γ律状态方程EOSGAM。EOSGAM 模型定义气体的γ律状态方程其中压力是密度，比内能及理想气体比热比γ。

理想空气材料卡片下图所示：

理想气体材料卡片

2.2火药材料卡
本项目对于火药的模拟，采用JWL状态方程模拟， JWL状态方程EOSJWL
钝化黑索金火药材料卡片如下图所示：

火药材料卡片

2.3药罩材料卡
本项目对于药罩的模拟，采用状态方程/弹塑性本构描述材料的高压下的大变形行为。药罩结构材料采用多项式状态方程本构，并采用Johnson-Cook 屈服模式，用来描述金属材料在大变形、高应变率和高温条件下的本构关系，相应公式如下：
对于多项式状态方程，其压力是相对体积及比内能的多项式函数。
紫铜药罩的材料卡片如下图所示：

紫铜药罩材料卡片

2.4壳体材料卡
本项目对于壳体的模拟，采用状态方程/弹塑性本构描述材料的高压下的大变形行为。壳体结构材料采用多项式状态方程本构，并采用冯•米塞斯屈服模型YLDVM。
壳体A3钢材料卡如下如所示：

壳体材料卡片

2.5装甲钢板材料卡
本项目对于装甲钢板的模拟，采用状态方程/弹塑性本构描述材料的高压下的大变形行为。装甲钢板结构材料采用多项式状态方程本构，并采用冯•米塞斯屈服模型YLDVM。
装甲钢板材料卡如下如所示：

装甲钢材料卡片

3 载荷及边界条件介绍
3.1欧拉初始条件
欧拉单元的初始状态可以用TICEL 或TICEUL 来定义。这是用来设定模型在分析开始时的状态，此后的状态由计算确定。

TICEL 卡用来定义单元的初始状态。任何单元物理量都可以赋予一定的初始值。TICEUL 卡用来针对欧拉网格中的几何区域定义初试状态。TICEUL 必须与EULER1卡配合使用。几何区域可以是圆柱形或球形，也可以是由某个单元集构成的。每个几何区域都有一个级别号。当两个区域相互覆盖时，它们的公共区域的初始值的定义依级别号较高的几何区域为准。利用若干不同级别号不同形状的几何区域相互覆盖，可以构造出形状较为复杂的几何区域用于初始状态的定义。相同级别号的区域不能相互覆盖，否则会发生错误。

欧拉域初始形状定义为球形，如下图所示：

欧拉域初始形状定义
药罩初始形状由药罩表面dummy shell单元确定，药罩初始形状定义如下图所示：

药罩初始形状定义
壳体初始形状由壳体表面dummy shell单元确定，壳体初始形状定义如下图所示：

壳体初始形状定义
火药初始形状由火药表面dummy shell单元确定，火药初始形状定义如下图所示：

火药初始形状定义
装甲板初始形状由火药表面dummy shell单元确定，装甲板初始形状定义如下图所示：

装甲钢初始形状定义
各物质的逻辑顺序，如下图所示：

各物质逻辑顺序定义

3.2欧拉边界条件
流场边界条件定义欧拉网格边界上流进流出网格的材料的物理性质及其位置。在MSC.Dytran中，欧拉域的默认截断边界时对称边界条件，本项目采用1/2模型计算，也就是说，其1/2模型的对称面可以选用默认的边界条件。其余五个面，需要定义流出边界条件，否则会导致欧拉域内压力急剧增大。
欧拉域的边界条件如下图所示：

欧拉边界条件定义

3.3起爆点定义
具有JWL 类型状态方程的欧拉单元在分析过程中会发生爆炸。模型中必须有一张DETSPH 卡用于爆炸波的定义。爆炸波的波阵面是一个球形面。DETSPH 卡上定义起爆点的位置，起爆时间，爆炸波的传播速度。程序据此计算每个火药单元的爆炸时间。不具有JWL 型状态方程的党员不受影响。

起爆点定义

3.4求解控制及输出控制
时间步长和计算结束时间控制
采用MSC.Dytran进行显式有限元分析，需要定义初始时间步长和最小时间步长，以及计算结束时间。计算侵彻过程时间为3e-4s。
时间步长和计算结束时间控制如下图所示：

求解控制设置

欧拉域内物质最大速度控制
欧拉域内物质最大速度控制如下图所示：

最大速度控制设置

结果输出控制
结果输出控制，主要是方便客户定制需要的结果数据，包括动画、云图、曲线等等。
结果输出控制如下图所示：

结果输出控制设置

3.5 计算提交
在进行完前处理后，可以导出MSC.Dytran计算文件，并打开MSC.Dytran客户端进行提交作业，如下图所示：

求解提交

4 计算结果
采用多物质欧拉法，建立某爆炸成形弹丸地雷的详细模型，对起爆、翻转过程进行模拟，计算弹丸的成形尺寸及速度等；并计算弹丸对100mm厚均质钢板进行侵彻，计算活得100mm厚钢板的侵彻深度、开孔形状、开孔尺寸等。计算成形过程时间为3e-4s，计算费时为9735s。

4.1弹丸侵彻装甲板过程计算结果
计算显示，药罩在形成稳定的弹丸后，撞击到装甲板，装甲板迎弹面首先开坑，弹丸侵入装甲板，最终未能穿透100mm装甲板。
弹丸侵彻装甲板过程如下图所示：

1e-4s

1.2e-4s

1.35e-4s

1.5e-4s

1.7e-4s

2.85e-4s
弹丸侵彻装甲板过程

4.2装甲板上的损伤状况
弹丸在高速飞行到装甲板后，发生猛烈碰撞。弹丸首先在装甲板前面开坑，随之弹丸也被顿粗，弹丸携带较高的动能，但未能贯穿装甲板，装甲板上产生一个为贯穿的孔洞，空洞尺寸如下图所示：

装甲板开口形状

装甲板背部变形云图如下图所示：

装甲板背部变形

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谢谢楼主！学习了！

hzkhzkh

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