基于Abaqus与LS-DYNA的破片飞散特性联合分析方法

颜格, 王建刚, 王中原, 宋超慧

(湖北航天飞行器研究所,武汉 430000)

0 引 言

在炸药爆炸冲击下催使高速飞散破片对目标进行杀伤,是战斗部的常用毁伤方式。常用预制破片有球形、方形、杆形等,破片排布可以是单层的也可以是多层的交错排布。真实的战斗部往往有数以万计的破片,在战斗部前处理建模过程中,对这些破片进行手动排布会占用大量的时间。借助Abaqus的Python二次开发功能,编写自动排布破片插件,减少重复建模工作,可使工作的重心转移到分析计算结果上。

在破片飞散特性分析领域,LS-DYNA是众多高校与科研院所认可的经典分析软件[1-2],但是现有的各类CAE软件都缺少将Abaqus生成的inp计算文件转换成LS-DYNA的计算文件即k文件的功能。为此,认真分析inp与k文件的逻辑结构,基于Abaqus的Python二次开发编写将inp文件转译为k文件的插件,从而实现用Abaqus建模、用LS-DYNA计算的目的。

全面的破片飞散结果分析不仅需要破片整体的飞散初速度和定性分布情况,还需要给出初速度方差、飞散角、方位角等飞散特性数据。更全面细致的破片飞散分析,需要分区间给出破片分布情况和初速度。对于数以万计的破片,人工完成统计和计算不容易实现,可以编写后处理脚本文件读取LS-DYNA计算数据并进行分析。

使用破片建模插件,输入文件格式转换插件以及后处理分析脚本文件,可以极大地提升破片飞散特性仿真分析的工作效率和分析深度。

1 破片建模与输入文件转换插件

Abaqus是一款大型通用有限元分析软件,兼备前处理、求解器、后处理功能,并能进行结构力学、流体力学、热力学、电磁学及其之间的耦合分析。Abaqus提供Python、C++、FORTRAN的二次开发接口,可以对前处理、求解器、后处理的全流程进行灵活广泛的二次开发,并能封装为插件,便于交互使用。其中,Python和C++用于对Abaqus前后处理的二次开发,FORTRAN用于对求解器的二次开发[3]。Python提供高效简洁的数据结构,能简单地面向对象编程,同时Python作为一种开源语言还拥有广泛的函数库,可以借用到二次开发环节中。此外,Abaqus的内部编码也可由Python语言实现,仅用Python便能实现Abaqus前、后处理中几乎全部的功能[4-7]。

战斗部中破片数量多达上万,其排布方式大多是交错的(见图1),且往往排布在不规则的曲面上。同时,破片的形状也不限于球形,还有方形、圆柱形、杆形破片等,应综合考虑其毁伤能力和对阻力的影响[8]。

图 1 破片排布示意

使用Python语言对战斗部破片排布建模进行二次开发。先编写单个破片有限元网格模型子函数,然后按照如下流程编写程序:

(1)战斗部是极对称的,选取破片排布曲面上的一条母线,根据破片特征尺寸计算母线上破片放置的坐标;

(2)根据预制破片的排布规律,在柱坐标系下对母线上的破片放置坐标进行旋转,得到底层破片放置坐标;

(3)根据预制破片的排布规律,在排布曲面的法向上逐步推算上层破片坐标,最终得到全部破片坐标;

(4)循环使用单破片有限元建模子函数,在所有放置坐标上形成破片。

部分破片有限元模型见图2。

(a)

LS-DYNA是通用显式动力学分析软件,适用于求解高速碰撞、冲击、爆炸、飞散等瞬态非线性等问题[9-11]。*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型是LS-DYNA中用于模拟高能炸药爆轰的模型,配合状态方程*EOS_JWL可描述炸药状态。*EOS_JWL状态方程通常用于描述炸药爆炸产物压力,

(1)

式中:P为爆轰产物的压力;E为单位体积内能;V为相对体积;A、B、R1、R2、ω为常数。

采用LS-DYNA中ALE算法和流-固耦合功能,可以较好地模拟炸药与壳体、破片的相互作用,精确地模拟破片速度,并且可以模拟破片对目标的破坏作用。但是,LS-DYNA目前没有读取Abaqus计算模型的接口,因此需要将Abaqus计算文件转译为LS-DYNA可读的形式。

inp文件为Abaqus生成的计算文件,其中依次记录如下数据:

(1)每个Instance的节点、单元、材料、集合、截面、初始条件等属性;

(2)装配体的集合、初始条件、边界条件、运动约束、相互作用、相互作用属性等;

(3)材料本构模型以及相关参数;

(4)分析步设置、分析步属性、场输出、历史输出等。

虽然inp文件里记录计算文件的全部数据,但仍有部分数据不方便搜寻、调用的情况,这时可以选择同时从cae文件中直接调用相关数据进行补充[12]。cae文件是Abaqus的模型数据库文件,记录建模时的全部信息,可以使用Abaqus基于Python的命令流对cae文件进行读写。与此同时,使用Python读取inp文件中的相关参数,按照LS-DYNA约定的格式编写k文件。最后,在k文件中补充LS-DYNA独有的少量关键字命令,便能形成可供LS-DYNA求解器读取的完整k文件。

整个前处理流程见图3。

图 3 前处理流程

2 使用LS-DYNA求解及飞散数据后处理分析

使用LS-DYNA的流-固耦合算法对提交的k文件进行计算。以某次破片飞散特性分析为例,破片飞散景象见图4。待破片飞散稳定后,提取每枚破片的坐标、位移和速度等数据。编写批处理脚本文件对以上数据进行统计,得到不同飞散角区域内破片的最大速度、最小速度、平均速度、速度方差等,并计算整体的飞散特性。破片的初速度计算结果见表1;飞散角度数据见表2,其中5%飞散角、95%飞散角分别指5%、95%的破片落入的角度范围,飞散角是指5%～95%的破片落入的角度范围;沿飞散角每2°取一区间统计破片数量和速度,结果见表3;以离弹尖最近破片为原点,沿弹轴方向均分30个区间,统计每个区间内破片的速度信息,结果见表4。

(a)

表 1 全部破片初速度计算结果

表 2 飞散角度数据 (°)

为形象地呈现破片飞散的分布与初速度,绘制破片比例沿飞散角的变化曲线,见图5(a)。结合表3可以算出87%的破片集中在飞散角60°～100°的范围内。绘制破片初速度沿飞散角的变化曲线,见图5(b)。结合表3可知:飞散角从4°到104°,99.7%的破片初速度在1 747 m/s以上;在飞散角104°之后,破片初速度开始明显衰减。由此可以判断,这一方案杀爆战斗部对飞散角大于104°区域的破片毁伤能力不如前段。绘制破片比例沿弹轴方向的变化曲线,见图5(c)。结合表4可见,68.9%以上的破片集中在距离弹尖0.8 m的范围内。绘制破片初速度沿弹轴方向的变化曲线,见图5(d)。另外,由表4可见,距离弹尖0.8 m以外的破片初速度较前段较高,可以判断这一方案杀爆战斗部后端破片毁伤能力较强。绘制破片初速度、破片飞散角的散点图,并绘制最大值、最小值、均值、中位数曲线,见图5(e),可以更形象地观察破片飞散特性。

表 3 区间计算结果

表 4 轴向区间计算结果

本次仿真对应状态的试验数据如下。破片数量沿飞散角的变化曲线见图6(a),仿真所得破片比例沿飞散角变化曲线见图6(b),两者的趋势较为吻合。

试验所得飞散角数据见表5。与试验相比,仿真飞散角误差为8%,方位角误差为4%,可验证本破片飞散特性联合分析方法的可行性。

利用本文的破片飞散特性联合仿真分析方法,可完成多种杀爆战斗部方案的优化迭代工作,提升战斗部毁伤性能,半自动化的操作方式也可提高仿真分析效率。

3 结束语

经过多轮杀爆战斗部优化迭代分析,验证Abaqus全面灵活的二次开发能力,LS-DYNA显式求解器和ALE流-固耦合算法以及脚本化的破片数据处理方式,可以大幅提高破片飞散特性分析的建模效率、准确性和分析深度。基于此联合分析方法,可以精确深度评估杀爆战斗部沿飞散角、沿弹轴的破片分布情况和毁伤能力,辅助杀爆战斗部完成优化迭代。此联合分析方法可使破片飞散特性分析向模块化、半自动化转变,具有实际意义。

(a)飞散角-数量

(a)试验曲线

表 5 试验角度数据 (°)