ANSYS非均质材料在过载作用下的数值模拟研究(5)
2.3 模拟仿真研究
火工品的过载加速度是评价弹药用火工品的发射和动态着靶时安全性和可靠性的一项重要指标 。评价火工品抗高过载能力的技术核心 ，是建立能够模拟火工品在弹药发射和着靶时， 火工品承受冲击环境的技术和装置 。我国以前主要是根据火工品静态下的性能测试结果或通过实弹射击的方法来测试火工品的过载加速度。然而前者不能真实全面地反映弹药在使用过程中的可靠性和安全性 ；后者成本高，次数有限，有一定的风险 ；而且两种方法试验结果只能反映火工品的终态状态， 而不能对着靶过程中火工品在高过载情况下的技术状态进行分析 ，也不能满足对火工品进行动态性能的质量检验和验收要求，故难以真实了解弹药动态使用的安全性和可靠性。 为了克服实弹射击试验成本高风险大试验数量少难以获得加载过程中试样的适时状态等设计周期长、设计成本高、不能对火工品动态提出量化战术指标要求等缺点，现在采用计算机模拟软件来进行模拟冲击中的火工品高过载环境，为火工品的设计提供技术依据。
3 火工品着靶时受力分析
按照碰撞动力学理论的分析，火工品随弹药发射和着靶过程中，承受的作用形式是以应力波的形式表现出来。弹药发射过程中火工品除了要承受自身的质量惯性导致
的过载加速度外，还要承受火工品与火工品座之间的相对冲击作用，如果设计强度不够或冲击过强火工品还要承受包括火工品座在内的火工品组件的结构失稳而导致的挤压。在弹丸与目标碰撞过程中，火工品将承受来自弹丸前端的应力波冲击作用，体现在火工品要承受自身的质量惯性导致的过载、火工品与火工品座之间的冲击作用和火工品组件结枚失稳导致火工品的挤压变形.
为便于分析应力波在弹药内传播及材料产生应力、应变变化的过程，根据碰撞动力学理论，对弹丸着靶机理进行简化，如图3所示。
图3 弹丸着靶状态
图3中(a)为飞行状态，(b)为着靶状态， , 和 分别为着靶速度、着靶形成沿弹丸传递的弹性应力波和塑性波。
根据碰撞动力学理论，假定弹丸形状为圆柱状，目标为比弹丸刚性小的靶板，当弹丸以一定的速度v。撞击靶板时，弹丸和靶板碰撞形成的应力σ
（7）
其中 为弹丸密度；
C为冲击波速度；
为弹丸着靶速度；
碰撞形成的应力波的应力值大于弹丸的屈服应力时，在弹丸内产生后传弹性波( )和跟随其后的塑性波( )在弹性波到达之处，弹丸及其零部件承受第一次加载或过载，并且导致零部件位移，随后的塑性波到达之处，弹丸及其零部件承受第二次加载或过载，并且产生塑性变形。弹体与靶板的相互作用形成的受力具有高冲击应力、高温、高应变率的特点。着靶时的载荷为脉冲载荷，即在几个微秒的时间间隔中冲击
力突然上升至几万甚至几十万个大气压，并快速传递给弹药火工品，因此研究火工品静态特征已远不能反映其发生作用的真实的状态，必须研究火工品在高过载情况下的动态过程。
4 数值模拟
4.1 有限元分析软件介绍
有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司