CAE仿真技術在兵器行業(yè)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(yè)發(fā)展的推動作用,介紹了有限元CAE仿真技術在兵器行業(yè)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(fā)展思路。
    兵器科學技術的發(fā)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(fā)展進入了現(xiàn)代兵器時代。現(xiàn)代兵器是更加復雜、性能優(yōu)良的高科技武器系統(tǒng)。兵器科學技術已經(jīng)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(guī)兵器行業(yè)包括以下幾類結構:坦克、裝甲車輛行業(yè),火炮行業(yè),輕武器行業(yè),彈藥行業(yè)和軍用光電、電子行業(yè)。
    常規(guī)兵器工業(yè)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特點:
    1)常規(guī)兵器工業(yè)將會繼續(xù)進行結構調整,制造技術和加工手段將日益精良;
    2)常規(guī)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(tǒng)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(zhàn)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(jù)科學預測和數(shù)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(fā)研究周期,大幅度地降低產品研發(fā)成本;
2)虛擬樣機的引入減少了實物模型的試驗次數(shù),能夠精確的預測出產品的性能和戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)方案中可能存在的不合理現(xiàn)象,及早發(fā)現(xiàn)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(huán)境中根據(jù)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(xiàn)有和研制中的武器裝備的性能、戰(zhàn)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(tǒng)已被規(guī)定列為必需的裝備。
一、CAE仿真技術用于兵器行業(yè)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(fā)展是沿著引進—仿制—改進—創(chuàng)新的路線發(fā)展,伴隨著這一發(fā)展主線,該行業(yè)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(tǒng)分析。尤其是兵器行業(yè)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(guī)兵器行業(yè)的飛速發(fā)展與日趨成熟,世界上很多國家在兵器行業(yè)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(fā)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(xiàn)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(yè)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(yè)CAE解決方案。
1.主要應用CAE的仿真內容及典型應用
常規(guī)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(zhàn)技指標。
(1)彈藥及其戰(zhàn)斗部的仿真
為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)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(tǒng)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(zhàn)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(shù)值仿真研究,散姿態(tài)可控離散桿戰(zhàn)斗部數(shù)值算法研究,超聲速半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程數(shù)值仿真,定向戰(zhàn)斗部數(shù)值計算研究,鎢合金空心彈體垂直侵徹間隔靶過程數(shù)值模擬研究等
,現(xiàn)在均可以通過CAE仿真技術較好的實現(xiàn)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(fā)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(zhàn)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(tài)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(tài)響應特性,近年來很多車體和炮塔的設計均要求進行動態(tài)分析,為能夠更準確的向設計提供參考依據(jù)。ANSYS瞬態(tài)動力學分析功能包括隱式和顯式兩大部分,為動態(tài)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(xiàn)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(xiàn)優(yōu)化設計和減重目標,為設計決策人員提供很好的參考依據(jù)。
(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(tǒng)、推進系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)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(shù)值模擬,炮閂剛強度分析,發(fā)動機支座剛強度分析,履帶板動態(tài)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(tài)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(xiàn)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(zhàn)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(tài)剛強度校核,就能夠很好地解決這個問題。
(2)結構模態(tài)有限元分析
武器裝備在滿足靜態(tài)剛強度的基礎上,還要進一步考慮其動態(tài)性能。通過結構模態(tài)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(tài)試驗。
(3)結構動響應有限元分析
僅僅把靜態(tài)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(tài)分析方法計算出整車的動態(tài)特性模型及參數(shù),從而預估動態(tài)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(xiàn)狀及建議
隨著常規(guī)兵器產品的發(fā)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(fā)揮結構的最大功效已經(jīng)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(yè)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(jié)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(shù)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(xiàn)在能夠進行有限元分析的軟件很多,各有優(yōu)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(shù)據(jù)共享;
(4)有限元分析離不開有效的試驗數(shù)據(jù)支持,由于經(jīng)費等多種原因,國內兵器行業(yè)積累的原始數(shù)據(jù)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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