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基于CAE软件——HyperStudy的侵彻体头部形状自动优化

2015/8/12        作者:汪衡  王江波  巫志伟  张团      
关键字:CAE  有限元  联合仿真  CAE软件  
本文针对侵彻体结构优化设计中存在的主要问题,通过HyperStudy和Ls-dyna程序联合仿真计算撞击速度为400m/s时侵彻混凝土过程以侵彻体余速为目标响应函数对侵彻体的头部形状进行了自动优化。

1 引言

    侵彻体结构的传统设计方法主要依托个人经验及工程算法,随着计算力学、基础理论、计算机硬件等的发展,开发出AUTODYN、LS-DYNA等大型有限元仿真软件,并在侵彻体结构优化设计中大量应用。但是这些应用还存在局限性,如侵彻过程的仿真计算精度有待提高,主要原因是侵彻过程涉及大变形大破坏,仿真计算需要的材料参数比较多而且难以准确测试,同时又缺乏系统的结合试验结果调试材料参数的方法;目前只能对设计方案进行验证性的仿真计算,不能实现侵彻体结构尤其是关键局部结构的自动优化,在设计精度和效率方面均不能满足产品研制需要。

    针对以上问题,本文建立一种基于HyperStudy和LS-DYNA相结合的多学科优化设计技术,用于侵彻战斗部弹体结构设计方案的初步优选,实现侵彻体局部结构如头部形状的自动优化设计。

2 有限元模型的建立

    数值计算采用LS-DYNA有限差分程序,软件包含Lagrange、Euler、ALE、SPH等多种计算方法,具有良好的前后处理和图形功能,广泛应用于包括冲击/侵彻、装甲及反装甲系统、动能和化学能装置、水下冲击和爆炸等领域的数值模拟分析。

2.1网格划分

    为了获得比较符合实际的结果,通过大量仿真计算分析经验可知混凝土破坏区域网格为0.7厘米是比较合适的,弹体网格应略大,为0.9厘米。基于此,侵彻体及混凝土网格划分如图1所示:

 图1 有限元模型

图1 有限元模型

2.2材料模型及参数

    壳体材料采用Johnson-Cook本构方程和Gruneisen状态方程进行描述,总共涉及21个材料参数,具体参数如表1所示。

    靶标使用典型的40MPa素混凝土,采用加入了失效的J-H-C模型进行描述,总共涉及19个材料参数,具体参数如表2所示。

3 侵彻体头部形状自动优化

3.1优化问题的定义

    使用HyperMorph模块的Morphing技术对壳体头部网格变形进行定义,曲线1为原始头部形状,曲线3为自定义的曲线1上的节点变化边界,头部形状可在曲线1和曲线3之间任意变化(如图2)。该Morphing技术基于节点扰动矢量方法实现形状的参数化,得到各种可能的形状,其基本原理如下:

 公式1 基本原理

公式1 基本原理

 图2 壳体头部网格变形

图2 壳体头部网格变形

责任编辑:吴星星
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