一种密集破片穿甲能力估计方法技术

一种密集破片穿甲能力估计方法，属于弹丸穿甲作用模拟方法，解决现有弹丸穿甲作用模拟方法中缺乏破片群对防护结构侵彻时计算方法问题，用于指导导弹战斗部近距爆炸后形成的密集破片侵彻下防护结构抗弹性能设计。本发明专利技术包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤。本发明专利技术可快速、简便地实现密集破片穿甲能力等效为单破片侵彻能力的计算，为战斗部近炸下防护结构设计时以破片群载荷为毁伤设计载荷提供了理论指导，具有实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种密集破片穿甲能力估计方法
本专利技术属于弹丸穿甲作用模拟方法，具体涉及一种密集破片穿甲能力估计方法，用于指导导弹战斗部近距爆炸后形成的密集破片侵彻下防护结构抗弹性能设计。
技术介绍
冲击波和破片是常规武器对目标的主要杀伤手段。由于冲击波传播过程中强度衰减迅速，所以其杀伤范围十分有限；破片在远距离飞行后仍能实现对目标的机械效应及引燃引爆效应等毁伤破坏，因此，近年来国内外着重开展了如何利用破片实现对目标最大限度杀伤的研究，包括增强侵彻能力、增大杀伤面积、提高命中精度等，并相应设计了各类常规战斗部，如聚能破甲战斗部、破片战斗部、穿甲侵彻战斗部。对此，结构防护工程领域提出了以金属面板、维增强复合材料抗弹材料为基础的装甲防护结构以抵御破片穿甲破坏，并已将其广泛地应用于轻型装甲车辆、舰船、坦克和直升机等目标结构。装甲防护结构的设计思路一般是先根据防御目标和等级提出相应的目标弹丸，并根据其单发侵彻能力采用理论、有限元等方法进行防护结构设计，最后开展弹道侵彻试验验证。而现代战斗部主要形式中的破片战斗部和反舰半穿甲战斗部其均是依靠爆炸后形成的高速破片群实现对空中、地面和水上作战装备及有生力量的杀伤，特别是近炸下产生的破片群往往几乎同时到达并一齐侵彻目标防护结构，当破片相互间距在一定范围内时，其分别在着弹点形成的应力波将在弹体侵彻过程中产生相互叠加，使该局部区域能量密度及能量持续时间大幅增加，进而破片更容易穿透靶板，即破片的侵彻能力产生增强效应。因而，根据单发破片侵彻能力为设计载荷所设计的防护结构在密集破片群侵彻时并不一定满足防护能力要求，导弹战斗部近炸下防护结构设计时应以破片群侵彻能力而不是单发破片侵彻能力为毁伤设计载荷。但由于破片群侵彻下应力波之间复杂的叠加增强效应，理论研究破片群的侵彻能力十分复杂。同时，当前试验条件下也很难开展密集破片群侵彻试验研究。本专利技术中所涉及的术语“着靶角”，是指弹丸着靶时的弹道切线与靶板表面外发现的夹角。
技术实现思路
本专利技术提供一种密集破片穿甲能力估计方法，解决现有弹丸穿甲作用模拟方法中仅能计算单发破片对防护结构的侵彻能力，缺乏破片群对防护结构侵彻能力计算方法问题，为战斗部近炸下防护结构以破片群载荷为毁伤设计载荷提供理论指导。本专利技术所提供的一种密集破片穿甲能力估计方法，包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤，其特征在于：(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：(1.1)建立破片群有限元模型，包括设定单个破片形状、单个破片几何尺寸、破片材料、力学参数及弹塑性本构模型、破片数量、破片间布局尺寸、单元类型、各破片撞击初始速度和各着靶角；(1.2)建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式、几何尺寸、材料种类、力学参数及正交异性本构模型、边缘约束条件；(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为芯层厚度的0.05～0.2倍，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触，防护结构为两层面板或三层夹芯板时各层间采用面面自动接触；(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数，迭代时间步数1000步，CPU核数为4核、内存分配4×108字节；(1.5)输出建模信息，将其提交给非线性动力学分析有限元程序进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用具有几何建模、网格划分、施加载荷功能的有限元建模商业软件进行；(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；当Ai小于加速度阈值X时，判断是否Vi均小于速度阈值Y，是则进行子步骤(2.2)；否则防护结构已穿透，进行子步骤(2.3)；(2.2)判断是否所有破片均在防护结构网格范围内，是则防护结构未穿透，进行子步骤(2.4)；否则防护结构临界穿透，进行子步骤(2.3)；所述加速度阈值X为0.05m/s2～1m/s2，所述速度阈值Y为撞击初始速度V0的0.02～0.05倍；(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm，称为最强穿透破片；进行步骤(3)；(2.4)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm的破片，称为最大侵深破片，进行步骤(4)；(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；过程(3.1.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.2)利用有限元后处理软件，分别读取最强穿透破片加速度As-时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs-时间t历程曲线；当As<X时，读取最强穿透破片速度Vs；(3.3)判断是否Vs<Vm，是则进行子步骤(3.4)，否则进行子步骤(3.5)；(3.4)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.5)判断是否Vs＝Vm，是则进行子步骤(3.7)；否则进行子步骤(3.6)；(3.6)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.6.1)～(3.6.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.6.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度减短0.1倍；过程(3.6.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；(3.7)计算终止，读取最强穿透破片长度，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该穿透等效破片侵彻能力等效相同；(4)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(4.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.1.1)～(4.1.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.1.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；(4.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取该最大侵深破片侵彻深度Hs；(4.3)判断是否Hs<Hm，是则进行子步骤(4.4)，否则进行子步骤(4.5)；(4.4)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.4.1)～(4.4.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.4.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度增大0.1倍；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；得到增长破片侵彻防护结构有限元计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种密集破片穿甲能力估计方法，包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤，其特征在于：(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：(1.1)建立破片群有限元模型，包括设定单个破片形状、单个破片几何尺寸、破片材料、力学参数及弹塑性本构模型、破片数量、破片间布局尺寸、单元类型、各破片撞击初始速度和各着靶角；(1.2)建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式、几何尺寸、材料种类、力学参数及正交异性本构模型、边缘约束条件；(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为芯层厚度的0.05～0.2倍，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触，防护结构为两层面板或三层夹芯板时各层间采用面面自动接触；(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数，迭代时间步数1000步，CPU核数为4核、内存分配4×108字节；(1.5)输出建模信息，将其提交给非线性动力学分析有限元程序进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用具有几何建模、网格划分、施加载荷功能的有限元建模商业软件进行；(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai‑时间t变化历程曲线和各破片速度Vi‑时间t变化历程曲线；当Ai小于加速度阈值X时，判断是否Vi均小于速度阈值Y，是则进行子步骤(2.2)；否则防护结构已穿透，进行子步骤(2.3)；(2.2)判断是否所有破片均在防护结构网格范围内，是则防护结构未穿透，进行子步骤(2.4)；否则防护结构临界穿透，进行子步骤(2.3)；所述加速度阈值X为0.05m/s2～1m/s2，所述速度阈值Y为撞击初始速度V0的0.02～0.05倍；(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm，称为最强穿透破片；进行步骤(3)；(2.4)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm的破片，称为最大侵深破片，进行步骤(4)；(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；过程(3.1.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.2)利用有限元后处理软件，分别读取最强穿透破片加速度As‑时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs‑时间t历程曲线；当As<X时，读取最强穿透破片速度Vs；(3.3)判断是否Vs<Vm，是则进行子步骤(3.4)，否则进行子步骤(3.5)；(3.4)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.5)判断是否Vs＝Vm，是则进行子步骤(3.7)；否则进行子步骤(3.6)；(3.6)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.6.1)～(3.6.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.6.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度减短0.1倍；过程(3.6.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；(3.7)计算终止，读取最强穿透破片长度，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该穿透等效破片侵彻能力等效相同；(4)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(4.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.1.1)～(4.1.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.1.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；(4.2)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取该最大侵深破片侵彻深度Hs；(4.3)判断是否Hs<Hm，是则进行子步骤(4.4)，否则进行子步骤(4.5)；(4.4)重新建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.4.1)～(4.4.5)，分别与所述子步骤(4.1)的过程(4.1.1)～(4.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.4.1)中保持其他参数不变，将该最大侵深破片长度增大...

【技术特征摘要】
1.一种密集破片穿甲能力估计方法，包括建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤、判断防护结构穿透状态步骤、确定穿透等效破片步骤以及确定未穿透等效破片步骤，其特征在于：(1)建立破片群侵彻防护结构有限元模型步骤，包括下述子步骤：(1.1)建立破片群有限元模型，包括设定单个破片形状、单个破片几何尺寸、破片材料、力学参数及弹塑性本构模型、破片数量、破片间布局尺寸、单元类型、各破片撞击初始速度和各着靶角；(1.2)建立防护结构有限元模型，包括设定防护结构型式、几何尺寸、材料种类、力学参数及正交异性本构模型、边缘约束条件；(1.3)均匀划分网格，设定网格大小为芯层厚度的0.05～0.2倍，设定破片群与防护结构接触为面面侵蚀接触，防护结构为两层面板或三层夹芯板时各层间采用面面自动接触；(1.4)设定仿真配置信息，包括计算时间为500us、迭代时间步数，迭代时间步数1000步，CPU核数为4核、内存分配4×108字节；(1.5)输出建模信息，将其提交给非线性动力学分析有限元程序进行计算，计算完毕，进行步骤(2)；所述子步骤(1.1)～(1.5)均采用具有几何建模、网格划分、施加载荷功能的有限元建模商业软件进行；(2)判断防护结构穿透状态步骤，包括下述子步骤：(2.1)利用有限元后处理软件，分别读取破片群中各破片加速度Ai-时间t变化历程曲线和各破片速度Vi-时间t变化历程曲线；当Ai小于加速度阈值X时，判断是否Vi均小于速度阈值Y，是则进行子步骤(2.2)；否则防护结构已穿透，进行子步骤(2.3)；(2.2)判断是否所有破片均在防护结构网格范围内，是则防护结构未穿透，进行子步骤(2.4)；否则防护结构临界穿透，进行子步骤(2.3)；所述加速度阈值X为0.05m/s2～1m/s2，所述速度阈值Y为撞击初始速度V0的0.02～0.05倍；(2.3)在破片群中选出速度最大的破片，其速度Vm，称为最强穿透破片；进行步骤(3)；(2.4)利用有限元后处理软件，通过显示防护结构各位置剖视图，读取各破片对防护结构的侵彻深度Hi，在破片群中选出最大侵彻深度Hm的破片，称为最大侵深破片，进行步骤(4)；(3)确定穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(3.1)建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.1.1)～(3.1.5)，分别与所述步骤(1)的子步骤(1.1)～(1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.1.1)中无需设定破片数量、破片间布局尺寸；过程(3.1.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.2)利用有限元后处理软件，分别读取最强穿透破片加速度As-时间t历程曲线和最强穿透破片速度Vs-时间t历程曲线；当As&lt;X时，读取最强穿透破片速度Vs；(3.3)判断是否Vs&lt;Vm，是则进行子步骤(3.4)，否则进行子步骤(3.5)；(3.4)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.4.1)～(3.4.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.4.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度增大0.1倍，得到增长破片侵彻防护结构有限元计算模型；过程(3.4.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；(3.5)判断是否Vs＝Vm，是则进行子步骤(3.7)；否则进行子步骤(3.6)；(3.6)重新建立最强穿透破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(3.6.1)～(3.6.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(3.6.1)中保持其他参数不变，将该最强穿透破片长度减短0.1倍；过程(3.6.5)计算完毕，进行子步骤(3.2)；得到减短破片侵彻防护结构有限元计算模型；(3.7)计算终止，读取最强穿透破片长度，将该长度的最强穿透破片作为穿透等效破片，进而得到穿透等效破片的几何尺寸，从而破片群对该防护结构的侵彻能力与该穿透等效破片侵彻能力等效相同；(4)确定未穿透等效破片步骤，包括下述子步骤：(4.1)建立最大侵深破片侵彻防护结构有限元计算模型，包括过程(4.1.1)～(4.1.5)，分别与所述子步骤(3.1)的过程(3.1.1)～(3.1.5)对应相同，区别仅在于过程(4.1.5)计算完毕，进行子步骤(4.2)；(4.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李典，侯海量，朱锡，陈长海，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42