【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及车辆防护设计领域，特别涉及一种基于材料侵彻模拟的提升车身防护性能的优化设计方法。
技术介绍
1、车身是驾驶员和乘客与外部空间的屏障，起着防寒冻、抵御外部冲击等多种防护作用。尤其对于特殊用途装甲车辆，车身还须具备防辐射和爆炸功能。从使用环境来说，大多数的车身的设计首先满足遭受外部碰撞造成允许范围内的变形量，从而保证车内人员与设备安全，因此，车身的强度和刚度应为设计指标。另外，车身防护是依靠损耗弹丸射入车身表面过程的动能抵御击穿，可见弹丸的侵彻速度和角度对表面破坏程度均有影响。
2、随着对车辆安全要求提高，车身需要承受更强的碰撞与武器破坏。车身性能与车身材料力学性能和结构力学特征密切相关。
3、从研究方法来说，重新设计车身并进行反复试验成本昂贵，而采用cae(computeraid engineering)方法在虚拟空间调整机械设计和材料分配，具有可重复性、廉价、过程可跟踪等优点。
4、从防护材料来说，现代防护以无机与高分子材料与防弹钢板配合使用，取代了原有加厚钢板方案，同时实现了车身轻量与提升防护性能。与传统金属防弹装甲相比，新一代高性能材料具有很大的减重优势，如聚乙烯密度0.97g/cm3、芳纶密度1.44g/cm3、碳化硼陶瓷密度2.5g/cm3。
5、新型防护材料通过微观结构的破坏消耗子弹动能，从而实现更加高效防护。例如，超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料(uhmwpe)在抗弹击过程中首先发生纤维的剪切断裂，然后是纤维拉伸和分层破坏。聚脲是另一种常用的防弹材料，它的
技术实现思路
1、车身防护性能取决于新型无机高分子材料的力学特性，因此，采用cae方法模拟新型材料的侵彻特征对评估车身防护性能具有重要意义。因此，基于以上分析，本公开采用cae方法对车身防护性能进行仿真，提出了一种基于材料侵彻模拟的提升车身防护性能的优化设计方法。所提出的设计方法通过cae软件建立车身防护模型时，可以兼顾正向和逆向车身防护设计，因此适合广泛推广于多种车身防护设计以及工程其他领域相关设计问题。
2、本公开提供的基于材料侵彻模拟的提升车身防护性能的优化设计方法，采用显式动力学方法模拟外部冲击条件下车身材料的应力-应变变化规律，完成对车身防护性能的评估，方案具体包括以下步骤：
3、(1)根据防护要求确定车身材料选型，对应地，建立描述弹丸与耙板材料结构和特性的材料模型。
4、在该步骤中，车身性能需要与材料能够表征的参数建立关系，例如，碰撞应力以变形量表征，冲击破坏以是否穿透评价。可见，材料的几何参数就可以用来评估车身性能。
5、车身所需要达到的性能是通过车身材料实现的，因此，可以通过分析车身性能需求，选定设计过程中的材料类型。例如，现代防弹材料常见为陶瓷和聚乙烯；材料中含有易于与中子发生化学反应的元素可以实现防辐射的功能。
6、进一步的，材料可以是各向同性材料、复合材料、弹塑性材料等。对于层状复合材料，每一层材料的叠放次序是通过分析现实使用需求确定的。特别地，各层材料的初始厚度可以相同，对于车身材料，可以认为每一层厚度为6mm。
7、进一步的，车身材料模型应包括影响材料侵彻过程与防护性能的所有模型，至少包括材料本构模型、材料失效模型、材料强度模型等。
8、(2)建立侵彻过程的几何模型和物理模型。几何模型能合理描述侵彻过程的弹丸与靶板的几何结构，特别地，靶板的复合结构也需要在模型中建立出来。物理模型描述了侵彻过程的能量、动量、质量变化，具备了材料自身特征，并对力学模型施加了初始条件和边界条件。
9、进一步的，弹丸尺寸由弹头尺寸r与弹身长度t组成。耙板尺寸l×w×h(长×宽×高)，并且定义靶板与弹丸的刚度特征。
10、进一步的，物理模型的基本控制方程应包括材料破坏的应力-大变形关系、材料本构特征关系，以及质量守恒、动量守恒与能量守恒方程，并且依据真实环境施加边界条件与初始条件。其中，弹丸侵彻的基本控制方程如下：
11、ρ(x,t)j(x,t)＝ρ0(x)(1)
12、
13、ρwint＝djiσij(3)
14、
15、
16、方程(1)～(5)分别为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、材料本构方程和应变协调方程。其中，ρ(x,t)和ρ0(x)分别为当前时刻与初始时刻的介质密度；j(x,t)为雅克比行列式；σij为欧拉应力张量；bi为作用物体单位质量上的力；ui为质点位移张量；wint为单位质量内能，为哈密顿算子，
17、(3)评估材料侵彻模拟结果，从而完成车身材料的设计：通过建立弹丸侵入两种厚度靶板的模型，模拟嵌弹和击穿两种侵彻过程，分别比较弹丸在不同材料的侵彻量与出射速度的仿真结果。建立材料防护评估方法，从而完成车身材料防护设计。
18、进一步的，在相同入射速度条件下，弹丸侵入两种厚度靶板，模拟嵌弹和击穿两种侵彻过程。在耙板厚度和弹丸入射初速度均相同时，在两种侵彻工况下，分别比较弹丸在不同材料的侵彻量与射出速度的仿真结果。显然，侵入量越小、或射出终速度越小，耙板的防护性能越好。
19、为了合理评估材料的防护性能，车身的防护需要兼顾防弹、变形与轻量化。因此，参考适应度函数的定义，针对耙板质量、侵彻量和射出速度，分配恰当的权重因子ki，给出评估函数的表达式为
20、
21、其中，k1、k2和k3为权重因子，mi为第i种材料质量，δi为第i种材料侵彻量，vi为第i种材料出射速度，v0为入射速度。
22、与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)通过分析材料的力学特征，确定侵彻过程材料的物理图像，该方法与思路可以推广至复合材料、各向异性材料等复杂新型材料建模，有益于通过仿真的方式寻找有潜力的材料组合，从而通过调整材料参数优化材料性能；(2)结合cae技术、有限元模拟、优化算法等多种设计和建本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于材料侵彻模拟的车身防护性能优化设计方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述车身材料选型包括：各向同性材料、复合材料、弹塑性材料中的一种或多种，其中，对于层状复合材料，每一层材料的叠放次序通过分析现实使用需求而确定，各层材料的初始厚度设为相同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，车身的材料模型包括影响材料侵彻过程与防护性能的所有模型，包括：材料本构模型、材料失效模型和材料强度模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，物理模型包括：材料破坏的应力-大变形关系、材料本构特征关系、以及质量守恒、动量守恒与能量守恒方程，并且依据真实环境施加边界条件与初始条件；其中，弹丸侵彻的基本控制方程如下：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，按照如下评估函数进行车身材料防护性能评估：
【技术特征摘要】
1.一种基于材料侵彻模拟的车身防护性能优化设计方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述车身材料选型包括：各向同性材料、复合材料、弹塑性材料中的一种或多种，其中，对于层状复合材料，每一层材料的叠放次序通过分析现实使用需求而确定，各层材料的初始厚度设为相同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，车身的材料模型包括影响材料侵彻过程与防护性能的所有模型，包括：材料本构模型、材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵欣，鲍珂，衣超，宁克焱，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：
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