基于LS-DYNA的壳体动态破碎数值模拟方法研究(2)
3.4.1 左端起爆33
3.4.2 中间起爆35
3.5 本章小结.38
结论39
致谢40
参考文献41
附录A K文件中部分命令42
1 绪论
在现代弹药工程类科研项目的研究过程中，仿真已经成为越来越重要的手段与工具。与一些普通的民用领域实验不同，弹药实验本身的实验成本较高，并且有一定的危险性，与此同时，实验中各项实验参数都是在高压高速的背景下产生的。因此，找到合适的模拟仿真方法势在必行。现代计算机技术的发展为我们带来了更加科学合理模拟手段，同时也为我们对于数据的处理带来了极大的便利。LS-DYNA软件是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。基于LS-DYNA软件的使用领域特点，我们利用LS-DYNA来模拟壳体动态破碎数。
1.1 壳体破碎的背景
在军工行业中，壳体破碎通常指的是在炸药的急速膨胀下，装有炸药的缸体或容器会在力的作用下达到其材料本身的失效状态，壳体便会破碎。由于壳体通常为铸造体，且封闭壳体为分段铸造后再安装。因此，壳体本身有固有的铸造缺陷，而且在壳体的连接处，材料的受力以及失效状态也会不同。此外，在爆轰作用下，壳体在高压状态下破裂，实际实验的实验元器件在此物理环境下往往难以准确测得实验数据。基于此，我们有必要找到合适的有限元软件以及正确的理论模型和状态方程来正确的模拟出壳体破碎。
1.2 破碎的问题
传统Lagrange有限元方法在模拟大变形和破碎问题中会产生严重的网格畸变，使得计算难以进行。有限元软件是以公共边为网格的划分边界，以侵蚀的方式模拟破碎或断裂。在破碎问题中，会有大量的网格畸变现象，因此会导致大量的网格被删除，这便会使系统的总能量减少，难以正确的模拟出破碎问题。
1.3 国内的壳体破碎数值技术
1.4 国外的壳体破碎数值技术
1.5 现在的发展现状
在现代的军工系统中，研发单位已经越来越多的发现，使用传统的Lagrange方法来模拟破碎，尤其是大变形的状态下，网格的畸变以及模拟的失真越来越严重。因此，以节点分离为理论基础的有限元模型越来越得到重视。
1.5.1 普通Lagrange方法算例
陈健[11]等用LS-DYNA研究了球形破片侵彻靶板的历程，对比了不同的网格划分情况下的实验结果，并进行了图形化处理，制定出了网格划分中应该遵守的准则，随后，利用软件进行仿真，得出了球形破片穿过靶板后剩余的速度以及击穿靶板的角度。
1.5.2 SPH（光滑离子法）算例
王征林[12]等为了研究短药柱钢桶内爆炸所形成破片的特征，进而使用了光滑粒子（SPH)法。分析了破片的质量分布和速度。实验结果验证了壳体的不同位置处，破片的质量、大小、速度的分布情况，且实验结果与实际情况吻合度较好。孔少祥[13]等采用光滑粒子动力学方法研究了圆柱形战斗部爆炸形成破片的过程， 分析了端点起爆和中心点起爆时圆柱形战斗部壳体爆炸破片的空间分布及速度特性。
1.5.3 节点分离法做壳体破碎
针对Lagrange方法中所存在的问题，提出了用节点分离方法和畸变侵蚀方法分别解决断裂机制问题和网格畸变问题，以替代断裂侵蚀机制。节点分离法以其自身所特有的优势和方法，能够合理的模拟出破碎过程当中所进行的历程，进而模拟出我们想要的结果。此处将不详细介绍节点分离法的原理以及理论基础，节点分离法将在后文的内容中来仔细说明。这里要特别说明的是节点分离法是利用公用的一点来传递各物理参数。节点分离方法由有限元前处理中的模型节点复制、初始约束添加和计算中的约束解除等3个步骤。与传统有限元模型不同的是，节点分离方法是采用四个网格“公用”一点的方式连接，如此便解决了网格断裂的问题。在自然破片的LS-DYNA软件模拟中，使用不同的算法，对于实验的结果会有很大的影响。针对壳体的破碎，可以有三种方法：1.单元失效法；2.壳单元节点分离法；3.实体单元节点分离法。在试验中，三种方法的实验结果有着一定的区别。其中，采用实体单元节点分离法，该方法所模拟的结果从宏观现象角度和实际较为接近。除了金属材料以外，对于非金属材料，LS-DYNA也可以模拟材料的破碎。在模拟烟囱爆破实验中，针对烟囱本身的材料特点，LS-DYNA可以建立起不同的数学模型，在外加载荷和是否考虑冲击以及下坐的其他因素下，LS-DYNA可以较好的模拟出烟囱的定向爆破过程。
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