爆炸成型彈丸的二維、三維模型建立及對比分析

小琪琪_7663

2021年8月10日 22:53

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爆炸成型彈丸的二維、三維模型建立及對比分析

1工程意義眾所周知，成型裝藥爆炸作用分析對民用領域的爆破工程及爆破彈的研制開發有著關鍵的指導作用。目前對于爆炸成型彈丸的仿真模擬主要有二維及三維兩個層面，兩者都能比較契合的模擬爆炸成型情況，但對于兩者的區別還鮮有學者研究，因此，本文首先建立了二維及三維的爆炸成型模型，運用lsdyna進行仿真模擬，并對兩者的區別進行總結并做出分析。

2爆炸成型彈丸的二維模擬

2.1 二維計算模型

爆炸成型裝藥截面尺寸如圖1所示，金屬罩的外徑為12cm，內徑為11.75cm，裝藥高度為10cm。爆炸的方式為頂部中心起爆，二維計算模型的示意及相關幾何尺寸如下。

圖1 二維計算模型

2.2模型分析

在仿真分析中對軸對稱問題經常可以進行建模的簡化，本文模型可以簡化為二維軸對稱問題。那么模型采用的實體單元就相應選擇solid 162二維實體單元。那么炸藥和金屬罩兩種不同介質之間的接觸就選擇二維面面接觸算法；另外根據本文模型的尺寸大小，選擇cm-g-us單位制建模，預估仿真時間大概設置為100微秒，每2個微秒輸出一個結果數據文件，具體時間可以根據仿真結果進行再次設置。

2.3模型建立

在完成上述計算之后，進行二維爆炸的算例求解。幾何模型的建立在ANSYS/LSDYNA中使用APDL語言直接進行編寫，在完成幾何模型的建立后定義材料模型，這里同樣使用替換法，即隨便賦予兩種材料，真實材料參數在LSPP中另外單獨設置，之后劃分網格，采取映射網格劃分方法，網格劃分完成后創建PART檢查網格數是否正確，再次進行合理性調整，之后設置約束及仿真時長控制等參數，將文件保存為1.k，保存的中間文件1.k導入到LSPP中再次進行炸藥、狀態方程、起爆點等關鍵字的替換與編輯，之后存盤保存為1.k。將修改過的1.k文件放入LSDYNA中求解，求解結果用LSPP打開。

3爆炸成型彈丸的三維模擬

3.1 三維計算模型

由于炸藥起爆在實際中并非沒有厚度，所以本節建立爆炸成型彈丸的三維模擬模型，為了方便比較兩者的異同點，模型具體尺寸與上述二維模型相同。爆炸成型彈丸的三維模型三視軸測圖如圖2所示。

圖2三維計算模型

3.2模型分析

在三維爆炸成型彈丸分析中，可以使用小型重啟動分析。每24微秒刪除炸藥PART和接觸，計算時間同樣設置為100微秒，每2個微秒輸出一個數據結果文件。

3.3模型建立

三維模型的建立不同于二維模型，對于軸對稱模型，只需要建立四分之一模型如圖3所示。建立模型使用三維實體solid164單元進行劃分，彈丸與靶板之間采用*CONTACT_ONLY_PENA LTY接觸算法，在對稱面上施加對稱約束。材料的定義方法同二維模型建立方法，在完成實體四分之一模型的建立后進行網格的劃分，同樣采用映射網格劃分方法，后續的軟件操作步驟與二維模型的建立基本相同，但應注意的是對于金屬罩和炸藥之間的接觸設置，這里依然采用間接法設置，金屬罩和炸藥之間應該采用滑移接觸設置，間接法定義的任意接觸算法（本文在ansys/lsdyna中任意設置了一種自動面面接觸算法）是一種借用的定義，其真正的接觸和具體控制參數在K文件的編輯過程中將被替換和修改。之后設置約束及仿真時長控制等參數，將文件保存為2.k，保存的中間文件2.k導入到LSPP中再次進行炸藥、狀態方程、起爆點、接觸等關鍵字的替換與編輯（修改的關鍵字如下表1所示），之后存盤保存為2.k，將修改過的2.k文件放入LSDYNA中求解，求解結果用LSPP打開。

表1 UE編輯的重要關鍵字

Keywords

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

*EOS_JWL

*MAT_STEINBERG

*EOS_GRUNEISEN

*BOUNDARY_SPC_SET

*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY

*INITIAL_DETONATION

*CONTROL_CONTACT

圖3 三維四分之一模型

4對比分析

4.1彈丸的形成

圖4給出了彈丸的形成及炸藥的爆炸二維模擬變形圖，對比分析三維的變形情況（如圖5所示）可知：平面內的變形與空間的炸藥爆炸在姿態上有所區別，炸藥起爆是向四周同時擴散，故呈現出圓環擴散式變形，三維變形模擬更符合實際模擬現象。

圖4 （A）炸藥爆炸（B）成型彈丸的形成

圖5 炸藥爆炸、成型彈丸的形成視圖

4.2彈丸應力波的傳遞

在LSDYNA中調用應力波后處理數據，二維模擬的可視化處理后如圖6所示，三維模擬如圖7所示，兩者對比如下。分析：二維模擬中更能看出炸藥爆炸內部的應力波傳遞現象，三維模擬對于彈丸的形成應力波傳遞，其向四周擴散縣現象更加明顯。這是因為彈丸在爆炸的作用下始終具有向下的速度，這使得彈丸的應力波傳遞向外，而炸藥爆炸是從內部起爆，這對于空間炸藥應力波擴散并不明顯，反而二維截面處的應力傳遞更加明顯。

圖6（A）炸藥爆炸應力波傳遞（B）成型彈丸應力波

圖7炸藥爆炸應力波傳遞、成型彈丸應力波視圖

4.3彈丸速度時程曲線

獲取彈丸速度時程曲線（如圖8、9所示）可知：兩種模擬方式具有幾乎相同的曲線變化趨勢，這說明兩者都可以準確的模擬成型炸藥的爆炸作用，但三維模擬的精度要更高。從圖8可以看出，在速度漸漸穩定時，采用二維模擬的彈丸其數值為0.26cm/μs，而圖9得知，在速度為0.255 cm/μs時，彈丸速度達到最大值。兩者相差0.005 cm/μs。