爆炸成型弹丸建模与对比分析：二维至三维的跨越

1工程意义

众所周知，成型装药爆炸作用分析对民用领域的爆破工程及爆破弹的研制开发有着关键的指导作用。目前对于爆炸成型弹丸的仿真模拟主要有二维及三维两个层面，两者都能比较契合的模拟爆炸成型情况，但对于两者的区别还鲜有学者研究，因此，本文首先建立了二维及三维的爆炸成型模型，运用lsdyna进行仿真模拟，并对两者的区别进行总结并做出分析。

2爆炸成型弹丸的二维模拟

2.1 二维计算模型

爆炸成型装药截面尺寸如图1所示，金属罩的外径为12cm，内径为11.75cm，装药高度为10cm。爆炸的方式为顶部中心起爆，二维计算模型的示意及相关几何尺寸如下。

图1 二维计算模型

2.2模型分析

在仿真分析中对轴对称问题经常可以进行建模的简化，本文模型可以简化为二维轴对称问题。那么模型采用的实体单元就相应选择solid 162二维实体单元。那么炸药和金属罩两种不同介质之间的接触就选择二维面面接触算法；另外根据本文模型的尺寸大小，选择cm-g-us单位制建模，预估仿真时间大概设置为100微秒，每2个微秒输出一个结果数据文件，具体时间可以根据仿真结果进行再次设置。

2.3模型建立

在完成上述计算之后，进行二维爆炸的算例求解。几何模型的建立在ANSYS/LSDYNA中使用APDL语言直接进行编写，在完成几何模型的建立后定义材料模型，这里同样使用替换法，即随便赋予两种材料，真实材料参数在LSPP中另外单独设置，之后划分网格，采取映射网格划分方法，网格划分完成后创建PART检查网格数是否正确，再次进行合理性调整，之后设置约束及仿真时长控制等参数，将文件保存为1.k，保存的中间文件1.k导入到LSPP中再次进行炸药、状态方程、起爆点等关键字的替换与编辑，之后存盘保存为1.k。将修改过的1.k文件放入LSDYNA中求解，求解结果用LSPP打开。

3爆炸成型弹丸的三维模拟

3.1 三维计算模型

由于炸药起爆在实际中并非没有厚度，所以本节建立爆炸成型弹丸的三维模拟模型，为了方便比较两者的异同点，模型具体尺寸与上述二维模型相同。爆炸成型弹丸的三维模型三视轴测图如图2所示。

图2三维计算模型

3.2模型分析

在三维爆炸成型弹丸分析中，可以使用小型重启动分析。每24微秒删除炸药PART和接触，计算时间同样设置为100微秒，每2个微秒输出一个数据结果文件。

3.3模型建立

三维模型的建立不同于二维模型，对于轴对称模型，只需要建立四分之一模型如图3所示。

建立模型使用三维实体solid164单元进行划分，弹丸与靶板之间采用*CONTACT_ONLY_PENA LTY接触算法，在对称面上施加对称约束。材料的定义方法同二维模型建立方法，在完成实体四分之一模型的建立后进行网格的划分，同样采用映射网格划分方法，后续的软件操作步骤与二维模型的建立基本相同，但应注意的是对于金属罩和炸药之间的接触设置，这里依然采用间接法设置，金属罩和炸药之间应该采用滑移接触设置，间接法定义的任意接触算法（本文在ansys/lsdyna中任意设置了一种自动面面接触算法）是一种借用的定义，其真正的接触和具体控制参数在K文件的编辑过程中将被替换和修改。

之后设置约束及仿真时长控制等参数，将文件保存为2.k，保存的中间文件2.k导入到LSPP中再次进行炸药、状态方程、起爆点、接触等关键字的替换与编辑（修改的关键字如下表1所示），之后存盘保存为2.k，将修改过的2.k文件放入LSDYNA中求解，求解结果用LSPP打开。

表1 UE编辑的重要关键字

Keywords

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

*EOS_JWL

*MAT_STEINBERG

*EOS_GRUNEISEN

*BOUNDARY_SPC_SET

*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY

*INITIAL_DETONATION

*CONTROL_CONTACT

图3 三维四分之一模型

4对比分析

4.1弹丸的形成

图4给出了弹丸的形成及炸药的爆炸二维模拟变形图，对比分析三维的变形情况（如图5所示）可知：平面内的变形与空间的炸药爆炸在姿态上有所区别，炸药起爆是向四周同时扩散，故呈现出圆环扩散式变形，三维变形模拟更符合实际模拟现象。

图4 （A）炸药爆炸（B）成型弹丸的形成

图5 炸药爆炸、成型弹丸的形成视图

4.2弹丸应力波的传递

在LSDYNA中调用应力波后处理数据，二维模拟的可视化处理后如图6所示，三维模拟如图7所示，两者对比如下。分析：二维模拟中更能看出炸药爆炸内部的应力波传递现象，三维模拟对于弹丸的形成应力波传递，其向四周扩散县现象更加明显。这是因为弹丸在爆炸的作用下始终具有向下的速度，这使得弹丸的应力波传递向外，而炸药爆炸是从内部起爆，这对于空间炸药应力波扩散并不明显，反而二维截面处的应力传递更加明显。

图6（A）炸药爆炸应力波传递（B）成型弹丸应力波

图7炸药爆炸应力波传递、成型弹丸应力波视图

4.3弹丸速度时程曲线

获取弹丸速度时程曲线（如图8、9所示）可知：两种模拟方式具有几乎相同的曲线变化趋势，这说明两者都可以准确的模拟成型炸药的爆炸作用，但三维模拟的精度要更高。从图8可以看出，在速度渐渐稳定时，采用二维模拟的弹丸其数值为0.26cm/μs，而图9得知，在速度为0.255 cm/μs时，弹丸速度达到最大值。两者相差0.005 cm/μs。

图8二维模拟弹丸速度时程曲线

图9三维模拟弹丸速度时程曲线

5总结

1）无论是采用二维模拟还是三维模拟成型炸药的爆炸作用，均可以准确描述该爆炸作用，但三维模拟的精度更高，反映的现象更全面。

2）二维模拟较为便捷，在获取炸药内部的应力波传递具有优势。

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