基于ANSYS的弹头侵彻防弹衣的仿真研究

论文摘要

侵彻问题的研究现在是国防军事领域研究的热门课题,对完善弹头和防护体设计都有重要作用。侵彻问题的研究主要分两类即一类是从攻击性角度出发对冲击体进行研究,另一类是从防护体角度出发对防护体进行研究,两者是“矛”与“盾”的关系。本文着重研究防弹衣材料高分子聚乙烯纤维（UHMWPEF）的抗侵彻能力,对子弹弹头侵彻防弹衣材料高分子聚乙烯纤维的过程进行研究,分析其理论依据并利用有限元软件ANSYS对该过程做了数值模拟。根据国内外类似研究的成果和相应理论确定本文研究的主要方法和技术路线。以冲击动力学理论为依据对弹头侵彻防弹衣材料过程中的理论进行阐述,并分别介绍了高分子聚乙烯纤维（UHMWPEF）,本文试验的弹头的物理性能和UHMWPEF防弹衣的防弹原理。根据侵彻过程中的守恒方程,阐述了侵彻过程中的破坏准则和接触算法。有限元方法及有限元软件ANSYS/LS-DYNA是本文研究的主要方法和工具。拉格朗日算法和以中心差分法为主导的显式积分求解方法是求解显式动力学的主要方法。介绍有限元分析的一般方法和流程,并对ANSYS软件主要功能以及本文运用到的部分进行了阐明,着重介绍其中的理论部分。利用ANSYS对本文研究的侵彻过程进行数值模拟,根据先前分析的理论依据选取适用的算法和方法,着重分析UHMWPEF防弹衣材料不同厚度以及弹头侵彻角度对侵彻效果的影响,重点分析了弹头以与垂直方向成15度角侵彻的过程,仿真得到的结果与经验公式和实际情况大致相符。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要内容和技术路线
• 2 侵彻理论分析
• 2.1 侵彻问题的有限元模拟
• 2.1.1 网格描述
• 2.2 侵彻过程中材料破坏准则
• 2.2.1 侵彻过程中的损伤原理
• 2.3 侵彻过程中的守恒方程
• 2.3.1 物质变形的描述
• 2.3.2 积分的物质导数
• 2.3.3 侵彻过程中质量守恒方程
• 2.3.4 动量方程
• 2.4 方程显示求解
• 2.4 超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPEF）简介
• 2.5 子弹弹头结构分析
• 2.6 UHMWPEF 防弹衣的防弹原理
• 2.7 影响侵彻效果的因素
• 2.8 本章总结
• 3 有限元简介及ANSYS/LS-DYNA 简介
• 3.1 有限元方法
• 3.1.1 有限元求解问题的基本步骤
• 3.1.2 动力学有限元分析方法
• 3.2 有限元软件ANSYS 简介及其发展
• 3.2.1 利用ANSYS/LS-DYNA 进行模拟仿真的一般步骤
• 3.2.2 ANSYS 后处理器
• 3.2.3 LS-PREPOST 后处理器介绍
• 3.3 LS-DYNA 程序介绍
• 3.4 LS-DYNA 输入文件的生成与修改
• 3.5 侵彻过程中适用的接触算法及比较
• 3.5.1 动力约束
• 3.5.2 参数分配
• 3.5.3 对称罚函数
• 3.6 接触类型及其特性
• 3.6.1 面-面接触算法
• 3.7 沙漏模态控制
• 3.8 人工体积粘性
• 3.9 Johnson-Cook 材料模型和Gruneisen 状态方程
• 3.10 ALE 和Euler 方法
• 3.11 本章总结
• 4 利用ANSYS 对子弹侵彻防弹衣过程进行数值仿真
• 4.1 建模简化
• 4.1.1 弹头结构的简化假设
• 4.1.2 防弹衣材料结构的简化假设
• 4.2 单元类型的选择
• 4.3 材料本构模型的选择
• 4.4 建模
• 4.4.1 弹头模型建立
• 4.4.2 防弹衣材料模型建立
• 4.5 划分网格
• 4.5.1 弹头网格划分
• 4.5.2 靶体网格划分
• 4.5.3 建立PART
• 4.6 定义接触信息
• 4.7 定义边界条件和施加载荷
• 4.7.1 定义PART2（靶板）对称边界条件和约束条件
• 4.7.2 定义弹头初始速度
• 4.8 求解
• 4.9 输出及修改关键字文件
• 4.9.1 修改材料关键字
• 4.9.2 其他重要关键字段修改
• 4.10 递交求解
• 5 后处理与结果分析
• 5.1 观察侵彻过程
• 5.2 侵彻过程中弹头的分析
• 5.3 对比仿真实验
• 6 论文总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 下一步工作和主要建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢