基于流固耦合算法的装备部件毁伤研究

由于爆炸冲击波产生的威力巨大，并且可以通过计算xx的各项参数得到产生爆炸冲击波的各项数据 ，能够较好的得到控制和利用，所以爆炸冲击问题-直是工程和军事领域的热点问题，越来越受到科研工作者的重视。

北京理工大学的赵文杰1]通过实验和理论分析 ，对圆抛物面鼻型雷达天线在爆炸冲击波作用下的变形特点及有关的变形特征参量进行 了分析讨论 ，并给出了工程计算式。中国矿业大学力学与建筑工程学院的李清回进行了爆炸载荷作用下动态裂纹扩展实验研究。洛阳水利工程技术研究所[31做 了冲击波对工程结构及装备的动载实验 ，另外，有些理论已在工程实际中得到了验证与运用，如地下隧道试验 、地形对冲击波影响试验阎及人防工事试验网。对装备部件进行爆炸冲击与毁伤模拟，属于结构分析的范畴，本文采用流固耦合算法对爆炸冲击问题进行仿真分析。

1爆炸冲击波形成机理分析xx爆炸完成后，产生的高温、高压爆轰产物像-个超音速推进的活塞，把空气从原来的位置上迅速地排挤出去，形成-个以超音速运动的、状态参数有突跃的压缩空气层，即空气冲击波。在此过程中，爆轰产物的压力在未降到空气初始状态压力前继续膨胀，不断把能量传输给空气冲击波。当爆轰产物的压力下降到空气初始状态压力时，空气冲击波形成，此时爆轰产物的体积称为极限体积。由于惯性作用，爆轰产物体积继续膨胀 ，使压力低于周围空气压力，所以在空气冲击波尾部会形成-个稀疏区。

爆炸冲击波的形成和传播如图 l所示，T、T2、1r3、T4分别表示爆炸后不同瞬间冲击波的状态，其中T1时刻冲击波开始与爆轰产物分离，T4时刻出现了稀疏区。

基金项目：国家自然科学基金资助项 目(10872216 o作者简介：武晓雷(1975-)，男，山东泰安人，硕士 ，研究方向为装备仿真技术。

2 冲击波毁伤靶板的有限元分析利用有限元 方法对靶板和装备部件进行爆炸冲击毁伤仿真，采用如图2所示的步骤。

2.1冲击波模型 近距离爆炸时 ，爆炸产物和爆炸冲击波共同对 目标进行毁伤，如果建立xx模型使之产生冲击波 ，则无法将爆炸产物图 1爆炸冲击波形成和传播示意图图2 有限元分析方法及过程的作用分离出来；另外，目标与xx距离扩大，会使建恼间扩大，给计算带来不便，容易造成较大误差。为此，本文中采用了对靶板直接施加冲击波载荷的方法来研究冲击波对靶板的毁伤效果。

实际情况下的冲击波载荷相当复杂，-般和结构变形相耦合且不易精确测定 ，为研究方便，略去荷载中的次要因素，对实际载荷进行理想化处理，冲击载荷简化后的主要形式有：正弦脉冲、三角脉冲和矩形脉冲。针对爆炸冲击波的特点，有些学者将爆炸冲击波简化为三角脉冲波的形式。Jones在讨论船舶板的抨击损坏时采用 Ochi提出的三角形压力脉冲形式的抨击时间历程曲线171。

为使问题 的分析过程得 以简化，本文将爆炸冲击波取为三角形脉冲载荷的形式 ，载荷-时间历程曲线如图 3所示。

如图3所示，爆炸冲击波作用时间为 t，在 t，2时，冲击波峰值超压达到最大，由于空气中爆 图3模拟冲击波炸冲击波的强度-般在 80～130MPa，所以峰值超压在此范· 24· 价值工程围内取值，本文选用峰值超压为 80MPa和 100MPa的冲击波对靶板进行冲击，以研究其毁伤机理。

2-2靶板材料模型 由于在战损仿真分析中，-般将材料等效为LY-12铝合金，为使仿真分析结果的-致性 ，本文中的靶板材料也定为IJY-12铝合金 ，其材料参数如表 所示[81。

表 1靶板材料选择材料 弹性模量E 密度 P 泊松比I.Y-12 72Gpa 2.7g，cm3 O33LY-12铝合金 为应变率无关材料 ，因此，可选择MA rPLASrI1C-KINEMATIC材料模型进行有限元分析。

不同应变率下 ，LY-12铝合金的损伤应力介于 0.55至 0.56 GPa之间，因此将损伤应力取为0.555GPa，由弹性模量 E72GPa，可计算出该材料的失效应变为 0.77%。其他材料参数为：屈服极限 ：O.31Gpa，硬化系数 130.7。

2.3冲击载荷定义和施加 冲击载荷的定义包括爆炸冲击波作用时间的定义和强度的定义，且强度随时间变化而变化。为了对靶板施加爆炸冲击载荷，需定义载荷-时间变量数组，赋值情况见表 2。冲击载荷定义完成后，对靶板进行冲击载荷施加。

表 2 冲击载荷参数N0 TIME(s) PRESSURE(MPa)1 O.0DO0o O2 0.ooO75 403 O.0o150 804 O。0o225 405 0.0o30o 02.4网格划分与网格密度 为确定合适的网格密度，在不 同的靶板 网格 密度下 ，用强度 1OMpa、作用 时间0.O500s的爆炸冲击波对 LY-12铝合金靶板 (靶板尺寸3Ox3Ox8 mm)进行冲击实验，结果如表 3所示：表3 靶板网格密度对计算结果的影响序号 靶板最大位移(mm) 计算时间(s) 靶板网格划分情况1 16-3O 52 长宽2O等分，厚度2等分2 16-35 81 长宽5O等分，厚度4等分3 l6-32 173 长宽 100等分，厚度6等分4 16.41 785 长宽 150等分，厚度8等分5 16.37 lO59 长宽200等分，厚度 lO等分由表 3可以看出，随着靶板网格密度的增大，计算时间显著增长，但靶板的最大位移基本趋于稳定。为此，在后续研究中选用了靶板长和宽均 50等分，厚度4等分的划分方法。

3基于流固耦合算法的爆炸毁伤仿真对装备部件进行毁伤仿真分析 ，实质上就是利用有限元分析中的流固耦合方法，分析爆炸复合物和冲击波对部件的损伤情况，研究其损伤机理。多物质流固耦合算法的原理是，对xx及其他流体材料(如空气、水、土壤等)采用Euler算法，对其他的结构采用Lagrange算法，然后通过流固耦 合 方式 来 处理 相 互作 用 (CONSTRAINED-IA-GRANGE IN SOLID)，该方法的优点是xx和流体材料在Euler单元中流动，不存在单元的畸变问题，并且通过流固耦合方式来处理相互作用，能方便地建立爆炸模型。

本文利用TNTxx近距离爆炸进行毁伤分析，将所有物体都选择为三维实体单元，选定使用 Is-DYNA中提供的SOUD164实体单元。

Ls-DYNA 专 门 为 各 种 炸 药 提 供 了材 料 模 型( MATHIGNEXPLOSIVEBURN)，再结合 JWL状态方程 对 它 进 行 描 述 。 TNT 炸 药 的 材 料 模 型MATHIGNEXPLOSIVEBURN中的相关参数为：密度ROI.7g/cm ，爆速 D0.753crrdlxs，Chapman-Jouget压 力PCJ0.255x10”Pa。

L状态方程用于描述压力与体积应变之间的关系，其形式 为PA(1～ )e-RjVB( )e-V对于 TNTxx，在 g-cm-txs单位制中，以上方程的输入参数为：A5.4094，B0.093726，Rl4.5，R21.1，to0.35。

4爆轰产物的破坏作用分析大量实验表 明，距离爆炸中心 10～15to(ro为装药半径 )的范围内，目标受到爆炸产物和爆炸冲击波的复合作用，而超过 10～15to范围时，目标只受到爆炸冲击波的作用凹。

基于上述流固耦合方法进行爆炸冲击仿真，以装药密度为 1.6 m 的 TNTxx为例，爆炸完成瞬间爆轰产物的各项参 数如下 ：压 强196MPa，密度2.13g/cm ，温度3350C，速度1750m/so从这些数据可以看出，爆炸产物的各项参数都变得很大，爆炸发生瞬间，目标在 1O～15 ro范围内时，会受到很大的冲量，导致目标严重毁伤。

从以上分析可以看出，爆炸产物的破坏威力大，但作用范围小，只能对直接接触或近距离接触的目标发生作用。不过随着现代高精武器的出现，能够使xx在距 目标距离很小时产生爆炸，所以利用爆炸产物的巨大毁伤作用对目标进行毁伤打击，已成为现实。所以研究xx近距离爆炸时对目标的毁伤情况，具有重要意义。