CAE仿真技術在兵器行業中的應用

2013-05-12 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文闡述了應用以ANSYS為代表的有限元CAE仿真技術對兵器行業發展的推動作用,介紹了有限元CAE仿真技術在兵器行業的主要研究內容和典型應用案例,并總結了常見的兵器結構的仿真關鍵點,最后提出了該領域存在的一些問題和發展思路。
    兵器科學技術的發展凝聚著人類的智慧,每個時代的兵器都代表著當時的科技水平。20世紀后,兵器的發展進入了現代兵器時代?，F代兵器是更加復雜、性能優良的高科技武器系統。兵器科學技術已經逐漸形成了以空氣動力學、爆炸力學、理論力學、材料力學、彈道學、電子學、光學、化學等為內容的綜合性學科。
    常規兵器行業包括以下幾類結構:坦克、裝甲車輛行業,火炮行業,輕武器行業,彈藥行業和軍用光電、電子行業。
    常規兵器工業的發展趨勢呈現以下特點:
    1)常規兵器工業將會繼續進行結構調整,制造技術和加工手段將日益精良;
    2)常規兵器科研和生產領域的國際合作將不斷加強,各國軍品出口

政策將更加靈活,世界軍火市場的競爭將日益激烈;
計算機輔助工程(CAE)技術,不但替代了大量的傳統物理試件和試驗,還能夠幫助設計者快捷準確地判斷兵器產品的功能、性能及各種戰術指標的滿足情況。CAE也可以幫助決策者在兵器產品設計早期,依據科學預測和數值以分析提高設計的決策水平和能力。通過引入CAE技術到兵器設計中,可以獲得以下效益:
1)CAE仿真可以有效地縮短新產品的開發研究周期,大幅度地降低產品研發成本;
2)虛擬樣機的引入減少了實物模型的試驗次數,能夠精確的預測出產品的性能和戰術指標,以設計出高質量的產品;
3)操作者可以在研制初期階段就發現方案中可能存在的不合理現象,及早發現問題;
4)各類用戶(包括武器裝備的研制部門、采購部門、訓練部門和軍事使用部門)可在合成環境中根據需要來綜合應用各種仿真手段進行演習、訓練和試驗,以鑒定現有和研制中的武器裝備的性能、戰術部署和后勤保障;
因此,在武器裝備研制生產過程中,仿真系統已被規定列為必需的裝備。
一、CAE仿真技術用于兵器行業的主要研究內容及關鍵技術
建國以來,我國的兵器裝備的發展是沿著引進—仿制—改進—創新的路線發展,伴隨著這一發展主線,該行業的研究人員所做的工作也是逐漸由基礎分析、簡單分析計算過渡到復雜分析、系統分析。尤其是兵器行業相關的科研院所和國內一些高校在近幾年做了不少努力。
隨著常規兵器行業的飛速發展與日趨成熟,世界上很多國家在兵器行業投入的預研人員與裝備也日趨精良和先進。我國在大型仿真軟件方面的發展還相對比較落后,仿真技術工作主要借助于國外的軟件來進行。
就目前國內外CAE軟件現狀而言,ANSYS軟件作為全球CAE領域主要領導者之一,為兵器工業中的坦克、車輛、火炮、槍械、彈藥等產品的設計與仿真,提供了涵蓋諸多領域的強有力的設計工具,可以說是提供了最全面的兵器工業CAE解決方案。
1.主要應用CAE的仿真內容及典型應用
常規兵器中,以火炮、坦克、輕武器以及彈藥為主要內容,對于每個產品的研制,都可以利用ANSYS仿真來幫助設計人員預測產品性能和戰技指標。
(1)彈藥及其戰斗部的仿真
為了適應現代戰爭需要,彈藥需要具備:精確打擊能力、遠程壓制能力、高效毀傷能力等性能。ANSYS系列軟件包含了彈體強度與剛度分析、電子信息系統EMC/EMI分析、內外彈道的流體動力學分析、終點效應學的顯式動力學分析等彈藥和戰斗部設計的主要領域,主要解決彈藥的射程、威力、精度三大問題。
典型應用案例如圖1,2,3所示:

另外,如氣動加熱下導彈彈體溫度場有限元分析,導彈彈體動力響應有限元分析,裝甲材料侵徹試驗的數值仿真研究,散姿態可控離散桿戰斗部數值算法研究,超聲速半穿甲戰斗部侵徹過程數值仿真,定向戰斗部數值計算研究,鎢合金空心彈體垂直侵徹間隔靶過程數值模擬研究等
,現在均可以通過CAE仿真技術較好的實現預研和評價。
(2)坦克裝甲車輛的結構剛強度分析
火力、機動、防護,是坦克裝甲車輛最主要的性能指標。作為坦克裝甲車輛主體結構的車體,不僅是防護的主要部件,也起著承擔設備重量、承受行駛和發射時載荷的作用。通常車體為了減重和保證剛度,都做成薄壁板筋件+加強筋的結構形式,且焊縫很多。對于炮塔,其孔口多、受力大、而且處于最易被擊中的位置,并且座圈支撐的剛度有限,因此炮塔的設計也較為復雜。
在設計中,為了滿足戰技指標,需要通過ANSYS等有限元分析工具,對結構總體的強度、剛度、動態特性進行分析,并且對局部結構如焊縫、孔洞、開窗等處進行詳細的剛強度分析。特別是考慮到車輛行駛過程中和射擊過程中的結構動態響應特性,近年來很多車體和炮塔的設計均要求進行動態分析,為能夠更準確的向設計提供參考依據。ANSYS瞬態動力學分析功能包括隱式和顯式兩大部分,為動態設計提供了全面的解決方案。如圖4,圖5所示。

通過CAE仿

真技術,對坦克裝甲車輛的主要結構——車體部分進行剛度、強度計算和分析,可以實現概念設計或方案設計階段對殼體剛強度的校核,同時能實現優化設計和減重目標,為設計決策人員提供很好的參考依據。
(3)坦克、裝甲車輛及火炮等兵器關鍵部件的有限元分析
坦克裝甲車輛通常由武器系統、推進系統、防護系統、通信系統、電氣系統等組成。對于其中的關鍵零部件,需要在預研和概念設計階段,進行分析和仿真,以便于為設計提供參考。典型應用案例如圖6所示:

其它典型應用如平衡肘剛強度分析,閂體曲臂肘分析,火炮藥筒抽筒力的數值模擬,炮閂剛強度分析,發動機支座剛強度分析,履帶板動態響應分析,炮口沖擊波對車體頂甲板及附近結構沖擊的動態有限元分析等。
通過這些關鍵部件的分析,進行相應的結構改進設計,能夠解決試驗中出現的問題,滿足軍方指標要求。實際上,在我國一些大型科研項目中,通過ANSYS軟件對關鍵零部件進行分析,確實解決了一些關鍵問題。
二、結論
1.兵器結構仿真分析類型小結
(1)結構靜力學剛強度有限元分析
為了適應機動性、靈活性的戰爭特點,新式的坦克裝甲車輛和壓大多路況很差,而武器又要滿足精度的要求,這樣對薄殼裝甲的剛強度要求就顯得尤為重要。采用ANSYS軟件進行靜態剛強度校核,就能夠很好地解決這個問題。
(2)結構模態有限元分析
武器裝備在滿足靜態剛強度的基礎上,還要進一步考慮其動態性能。通過結構模態有限元分析,可以得到結構的固有頻率和振型,從而能夠有效避免共振,降低噪聲,減輕沖擊振動對結構的損壞。準確的有限元模型是確保計算結果正確的關鍵,但由于實際情況的復雜性,使得有限元模型必須做很多簡化,這便會產生誤差。校正模型以及檢驗模型的正確性,就必須借助于模態試驗。
(3)結構動響應有限元分析
僅僅把靜態剛強度作為結構剛強度衡量的唯一準則,已不能滿足結構設計的要求。通過有限元動態分析方法計算出整車的動態特性模型及參數,從而預估動態特性響應,為結構設計提供更加全面的理論分析參考。當然,結合試驗的進行,能夠使得計算更有說服力。
2.兵器結構應用CAE的仿真現狀及建議
隨著常規兵器產品的發展趨勢,輕量化和降低成本要求的日益迫切,對薄殼裝甲進行合理的設計,改善結構強度,發揮結構的最大功效已經變得越來越重要。
在最近幾年,尤其是最近2至3年,在兵器行業越來越重視在概念設計和方案設計階段運用有限元分析,使得許多問題提早暴露解決,從而節約了研制成本,縮短了研制周期,提高了產品質量。同時,這對結構CAE仿真也提出了更加嚴格的要求。如何提高CAE仿真預測的分析精度,保證計算結果的可信度,已成為我們關注的最重大的課題。如下這些問題,有待于國內各研制單位今后進一步解決:
(1)如何建立合理的物理模型來描述實際問題,如結構的受載情況、結構真實的材料特性、接觸參數選擇和焊接的處理等;

(2)如何模擬結構加工制造過程,如身管的預熱處理、成型加工引起的殘余應力等;
(3)現在能夠進行有限元分析的軟件很多,各有優缺點,值得研究如何將各個軟件進一步完善,以及很好地解決與CAD的接口問題及軟件之間的數據共享;
(4)有限元分析離不開有效的試驗數據支持,由于經費等多種原因,國內兵器行業積累的原始數據還遠遠不足夠支撐有限元分析,希望有關部門能給予重視和支持。

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