三维射流成型新境界：基于LSDYNA的模拟探索

1，项目描述

在军工领域中，射流及破甲弹等应用较多，对装甲目标的毁伤效果强。

破甲弹 HEAT（High-Explosive Anti-Tank）破甲弹又称空心装药破甲弹，是以聚能装药爆炸后形成的金属射流穿透装甲的炸弹。也称聚能装药破甲弹，是反坦克的主要弹种之一。

破甲弹穿透装甲的方式是通过化学能弹来完成的，HEAT弹战斗部的金属壳体可以在发射后，通过锥形装药的聚能原理将高温高压的金属射流聚焦成一条线，使得内部压力集中于一点并穿透敌方装甲，已达到杀伤敌方坦克内部乘员、破坏武器装备的效果。

理论上破甲弹可以击穿五倍于自身金属垫口径的均质装甲。破甲弹是基于门罗效应开发的化学能反装甲弹种，将锥型中空的装药 （常见药型还有半球型、喇叭型等） 在距离装甲板一定高度的位置起爆，以聚焦的高温高速射流击穿装甲板并对人员器材进行杀伤，因此也常称为锥型装药、成型装药、中空装药、聚能装药。

通过合理设计装药形状和炸高（理论上的理想炸高为直径五倍）并加装金属药型罩，现代破甲弹的静破甲深度通常可达药型罩直径的五倍以上，破深随药型罩直径增大有所提高，但药型罩直径大于150mm时破深提高不明显。

现代一些破深超过1000mm的反坦克导弹应用的是串联破甲战斗部，对爆炸反应装甲有较好效果。

对于破甲弹的2D模拟市场上较多，但是对于3D三维模拟，由于难度较大，对LSDYNA软件的应用技术和能力提出一定的要求，本文正对三维射流破甲弹的成型进行讲解。

2，几何模型

几何模型包括空气、B炸药、铜射流。首先利用workbench的dm模块建立空气、B炸药、铜射流的几何模型，注意的是三个模型要放入一个part下，以保证他们之间可以形成共节点的有限元模型。模型如下图所示，采用1/4模型。

3，材料

空气采用null本构及GRUNEISEN状态方程。铜射流采用MAT_JOHNSON_COOK本构，炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN本构及jwl状态方程。

对于三维射流，铜射流材料本构的参数极为重要，具体的材料本构参数如下：

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

2,1.63,0.693,0.270,0.000E+00

*EOS_JWL

2,3.71,7.430E-02,4.15,0.950,0.300,7.000E-02,1.00

$

*MAT_NULL

        1 0.125E-02  0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00    

*EOS_GRUNEISEN

        1 0.344E-01  0.00      0.00      0.00      1.40      0.00      0.00    

 0.00

*MAT_JOHNSON_COOK

        3  8.96     0.477    

0.900E-03 0.292E-02 0.310     0.250E-01  1.09     0.136E+04  293.     0.100E-05

0.380E-05  0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00    

 0.00    

$

*EOS_GRUNEISEN

        3 0.394      1.49      0.00      0.00      1.99      0.00      0.00    

 0.00

4，有限元网格

在workbench下划分网格，网格尺寸为0.5mm。网格数50万以上。需要注意的是必须采用全六面体网格，否则会计算失败。

5，单位制选择cm-g-us，并输出k文件

6，修改k文件并定义流体多物质组，具体关键字如下：

*SECTION_SOLID

        1        11

*SECTION_SOLID

        2        11

*SECTION_SOLID

        3        11

*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP

       1          1

       2          1

       3          1

*CON*T*ROL_ALE

        2         1         2-1.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000

0.0000000 0.0000000 0.0000000

7，计算条件

采用500us计算时长。

*CON*T*ROL_TERMINATION

 500.             0   0.00000   0.00000   0.00000

8，求解

求解过程如下，6核cpu计算时间需要54min。

9，结果分析

通过计算，射流成型效果较好，成型如下图所示。

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