战斗部LS-DYNA数值模拟技术-侵彻效应分析的核心工具

导读：侵彻问题是一个复杂的动力学问题，通常涉及到弹体对不同材质靶板的侵彻行为和机理研究。在军事和防护工程领域中，侵彻问题具有重要的研究意义和应用价值。图 1.1中展示了弹体对多种目标的侵彻效应。通过对弹丸侵彻靶板的理论研究、实验模拟和数值仿真，可以深入理解侵彻过程中的物理现象，预测材料的弹道极限，为材料的防护设计提供理论依据和技术支持。

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言归正卷，我们接着讲:

弹丸侵彻问题的研究内容主要包括以下几个方面：

1、弹丸与靶板材料的相互作用，包括弹丸的穿透、破碎、靶板的破坏等。

2、弹丸侵彻过程中的力学行为，如应力波的传播、靶板的变形和破坏。

3、影响弹丸侵彻效果的因素，例如弹丸的速度、形状、材料以及靶板的厚度、材料特性等。

图 1.1 弹丸对目标的侵彻效应

一、研究方法

1、理论分析

理论分析通常基于经典的力学模型和假设，如空腔膨胀模型、动力模型等，来推导描述弹丸侵彻过程的数学方程。这种方法的优势在于可以提供深入的物理洞察力，但可能在处理复杂材料行为和大变形问题时存在局限性。

图 2.1 弹丸侵彻理论建模[1]

[1]魏海洋. 椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道特性研究[D]. 南京理工大学兵器科学与技术, 2022.

2、靶场试验

弹丸侵彻试验是一种模拟弹丸穿透目标材料的实验，它对于评估弹丸的穿透能力和深入研究侵彻过程中的物理现象具有至关重要的意义。在弹丸驱动装置方面，常见的有轻气炮和空气炮，以及弹道枪和炮，如图 2.1所示。为了捕捉试验的瞬间细节，试验过程通常会使用高速摄像机进行记录，如图 2.2所示。然而，试验结束后，我们通常只能观察到弹丸对靶标造成的最终破坏形态，如图 2.3所示。尽管靶场试验因其直观性而备受青睐，但它也存在一些不足之处，包括高昂的成本、潜在的高危险性以及试验结果的重复性问题。

(a)一级空气炮[2]

[2]方幸. 空气炮力学过载等效模拟试验方法研究[D]. 南京理工大学军事化学与烟火技术, 2020.

(b)弹道炮

图 2.2 弹丸驱动试验装置

图 2.3 撞击过程高速录像

图 2.4 靶标破坏结果

3、有限元方法

有限元方法（Finite Element Method, FEM）在弹丸侵彻问题的研究中发挥着不可替代的作用。它通过数值模拟技术，能够精确预测弹丸穿透材料的深度，评估材料的抗侵彻性能，为弹丸设计和防护结构的优化提供重要的理论依据和数据支持。FEM的应用，使得研究人员能够在不进行实际破坏性试验的情况下，对弹丸侵彻行为进行深入分析，大大降低了研究成本和风险。

然而，FEM在弹丸侵彻问题的应用也面临着一系列挑战。首先，选择合适的材料模型和边界条件对于模拟的准确性至关重要。不同的材料属性和加载条件需要不同的模型来描述其行为。其次，精确模拟弹丸与材料接触以及材料内部的破坏行为，需要复杂的算法和高度的计算能力。此外，提高计算效率，缩短模拟时间，也是FEM应用中需要解决的问题，尤其是在处理大规模或复杂的侵彻问题时。

图 2.5 侵彻效应数值模拟

二、技术总结

侵彻问题的研究可以通过理论分析方法、试验方法和有限元方法等多种手段进行。每种方法都有其独特的优势和应用场景。

（1）理论分析方法：理论分析通常基于经典的力学模型和假设，如空腔膨胀模型、动力模型等，来推导描述弹丸侵彻过程的数学方程。这种方法的优势在于可以提供深入的物理洞察力，但可能在处理复杂材料行为和大变形问题时存在局限性。

（2）试验方法：通过实际的弹丸侵彻实验来收集数据，试验方法可以提供直观的结果和验证理论模型的准确性。然而，试验方法成本高、周期长，并且可能存在一定的危险性和数据获取的困难。

（3）有限元方法：有限元方法通过数值模拟技术对弹丸侵彻靶板的复杂动力学过程进行分析。这种方法可以模拟弹丸与靶板的相互作用、靶板的破坏模式以及能量转换过程。有限元软件如ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、AUTODYN等在弹丸侵彻问题的研究中得到了广泛应用。推荐读者在仿真秀官网查看我的原创视频课程《全面详细高效的LS-DYNA爆炸与冲击数值模拟基础入门11讲》，时长450分+，另附赠配套学习资料。

三、爆炸与冲击数值模拟技术学习

综上所述，有限元方法已经成为研究弹丸侵彻问题的重要工具，尤其在实验条件受限或成本较高的情况下，有限元模拟提供了一种经济、高效的研究手段。

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（2）基础知识掌握：了解软件的入门知识，为后续的深入学习打下基础。

（3）侵彻效应计算：学会如何使用软件进行侵彻效应的数值模拟和分析。

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（1）理工科弹药工程专业本科生、研究生和科研工程人员；

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（3）学习弹药终点效应数值模拟技术的任何人；

（4）学习型设计仿真工程师。

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