在兵器設(shè)計中CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用

[摘要]本文介紹了應(yīng)用以ANSYS為代表的有限元CAE仿真技術(shù)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(shù)在兵器行業(yè)的主要研究內(nèi)容和典型應(yīng)用案例，并總結(jié)了常見的兵器結(jié)構(gòu)的仿真關(guān)鍵點(diǎn)，最后提出了該領(lǐng)域存在的一些問題和發(fā)展思路。

　　兵器科學(xué)技術(shù)的發(fā)展凝聚著人類的智慧，每個時代的兵器都代表著當(dāng)時的科技水平。20世紀(jì)后，兵器的發(fā)展進(jìn)入了現(xiàn)代兵器時代?，F(xiàn)代兵器是更加復(fù)雜、性能優(yōu)良的高科技武器系統(tǒng)。兵器科學(xué)技術(shù)已經(jīng)逐漸形成了以空氣動力學(xué)、爆炸力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈道學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等為內(nèi)容的綜合性學(xué)科。

　　常規(guī)兵器行業(yè)包括以下幾類結(jié)構(gòu)：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(diǎn)：

　　1)常規(guī)兵器工業(yè)將會繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，制造技術(shù)和加工手段將日益精良;

　　2)常規(guī)兵器科研和生產(chǎn)領(lǐng)域的國際合作將不斷加強(qiáng)，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(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)，不但替代了大量的傳統(tǒng)物理試件和試驗，還能夠幫助設(shè)計者快捷準(zhǔn)確地判斷兵器產(chǎn)品的功能、性能及各種戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的滿足情況。CAE也可以幫助決策者在兵器產(chǎn)品設(shè)計早期，依據(jù)科學(xué)預(yù)測和數(shù)值以分析提高設(shè)計的決策水平和能力。通過引入CAE技術(shù)到兵器設(shè)計中，可以獲得以下效益：

　　1)CAE仿真可以有效地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)研究周期，大幅度地降低產(chǎn)品研發(fā)成本;

　　2)虛擬樣機(jī)的引入減少了實(shí)物模型的試驗次數(shù)，能夠精確的預(yù)測出產(chǎn)品的性能和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，以設(shè)計出高質(zhì)量的產(chǎn)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(xùn)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(yīng)用各種仿真手段進(jìn)行演習(xí)、訓(xùn)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(shù)部署和后勤保障;

　　因此，在武器裝備研制生產(chǎn)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(shù)用于兵器行業(yè)的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

　　建國以來，我國的兵器裝備的發(fā)展是沿著引進(jìn)—仿制—改進(jìn)—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(chǔ)分析、簡單分析計算過渡到復(fù)雜分析、系統(tǒng)分析。尤其是兵器行業(yè)相關(guān)的科研院所和國內(nèi)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(yù)研人員與裝備也日趨精良和先進(jìn)。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(shù)工作主要借助于國外的軟件來進(jìn)行。

　　就目前國內(nèi)外CAE軟件現(xiàn)狀而言，ANSYS軟件作為全球CAE領(lǐng)域主要領(lǐng)導(dǎo)者之一，為兵器工業(yè)中的坦克、車輛、火炮、槍械、彈藥等產(chǎn)品的設(shè)計與仿真，提供了涵蓋諸多領(lǐng)域的強(qiáng)有力的設(shè)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(yīng)用CAE的仿真內(nèi)容及典型應(yīng)用

　　常規(guī)兵器中，以火炮、坦克、輕武器以及彈藥為主要內(nèi)容，對于每個產(chǎn)品的研制，都可以利用ANSYS仿真來幫助設(shè)計人員預(yù)測產(chǎn)品性能和戰(zhàn)技指標(biāo)。

　　(1)彈藥及其戰(zhàn)斗部的仿真

　　為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，彈藥需要具備：精確打擊能力、遠(yuǎn)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(qiáng)度與剛度分析、電子信息系統(tǒng)EMC/EMI分析、內(nèi)外彈道的流體動力學(xué)分析、終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)的顯式動力學(xué)分析等彈藥和戰(zhàn)斗部設(shè)計的主要領(lǐng)域，主要解決彈藥的射程、威力、精度三大問題。

　　典型應(yīng)用案例如圖1，圖2，圖3所示：

　　另外，如氣動加熱下導(dǎo)彈彈體溫度場有限元分析，導(dǎo)彈彈體動力響應(yīng)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(shù)較好的實(shí)現(xiàn)預(yù)研和評價。 #p#page_title#e#

　　(2)坦克裝甲車輛的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析

　　火力、機(jī)動、防護(hù)，是坦克裝甲車輛最主要的性能指標(biāo)。作為坦克裝甲車輛主體結(jié)構(gòu)的車體，不僅是防護(hù)的主要部件，也起著承擔(dān)設(shè)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(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)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(shè)計也較為復(fù)雜。

　　在設(shè)計中，為了滿足戰(zhàn)技指標(biāo)，需要通過ANSYS等有限元分析工具，對結(jié)構(gòu)總體的強(qiáng)度、剛度、動態(tài)特性進(jìn)行分析，并且對局部結(jié)構(gòu)如焊縫、孔洞、開窗等處進(jìn)行詳細(xì)的剛強(qiáng)度分析。特別是考慮到車輛行駛過程中和射擊過程中的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特性，近年來很多車體和炮塔的設(shè)計均要求進(jìn)行動態(tài)分析，為能夠更準(zhǔn)確的向設(shè)計提供參考依據(jù)。ANSYS瞬態(tài)動力學(xué)分析功能包括隱式和顯式兩大部分，為動態(tài)設(shè)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(shù)，對坦克裝甲車輛的主要結(jié)構(gòu)——車體部分進(jìn)行剛度、強(qiáng)度計算和分析，可以實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計或方案設(shè)計階段對殼體剛強(qiáng)度的校核，同時能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計和減重目標(biāo)，為設(shè)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(guān)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(jìn)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。對于其中的關(guān)鍵零部件，需要在預(yù)研和概念設(shè)計階段，進(jìn)行分析和仿真，以便于為設(shè)計提供參考。典型應(yīng)用案例如圖6，圖7所示：

　　其它典型應(yīng)用如平衡肘剛強(qiáng)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(qiáng)度分析，發(fā)動機(jī)支座剛強(qiáng)度分析，履帶板動態(tài)響應(yīng)分析，炮口沖擊波對車體頂甲板及附近結(jié)構(gòu)沖擊的動態(tài)有限元分析等。

　　通過這些關(guān)鍵部件的分析，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，能夠解決試驗中出現(xiàn)的問題，滿足軍方指標(biāo)要求。實(shí)際上，在我國一些大型科研項目中，通過ANSYS軟件對關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，確實(shí)解決了一些關(guān)鍵問題。

　　二、結(jié)論

　　1.兵器結(jié)構(gòu)仿真分析類型小結(jié)

　　(1)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)剛強(qiáng)度有限元分析

　　為了適應(yīng)機(jī)動性、靈活性的戰(zhàn)爭特點(diǎn)，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(qiáng)度要求就顯得尤為重要。采用ANSYS軟件進(jìn)行靜態(tài)剛強(qiáng)度校核，就能夠很好地解決這個問題。

　　(2)結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析

　　武器裝備在滿足靜態(tài)剛強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步考慮其動態(tài)性能。通過結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析，可以得到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的損壞。準(zhǔn)確的有限元模型是確保計算結(jié)果正確的關(guān)鍵，但由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，使得有限元模型必須做很多簡化，這便會產(chǎn)生誤差。校正模型以及檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，就必須借助于模態(tài)試驗。

　　(3)結(jié)構(gòu)動響應(yīng)有限元分析

　　僅僅把靜態(tài)剛強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度衡量的唯一準(zhǔn)則，已不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)估動態(tài)特性響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更加全面的理論分析參考。當(dāng)然，結(jié)合試驗的進(jìn)行，能夠使得計算更有說服力。

　　2.兵器結(jié)構(gòu)應(yīng)用CAE的仿真現(xiàn)狀及建議

　　隨著常規(guī)兵器產(chǎn)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(jìn)行合理的設(shè)計，改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，發(fā)揮結(jié)構(gòu)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(shè)計和方案設(shè)計階段運(yùn)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(chǎn)品質(zhì)量。同時，這對結(jié)構(gòu)CAE仿真也提出了更加嚴(yán)格的要求。如何提高CAE仿真預(yù)測的分析精度，保證計算結(jié)果的可信度，已成為我們關(guān)注的最重大的課題。如下這些問題，有待于國內(nèi)各研制單位今后進(jìn)一步解決： #p#page_title#e#

　　(1)如何建立合理的物理模型來描述實(shí)際問題，如結(jié)構(gòu)的受載情況、結(jié)構(gòu)真實(shí)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(jié)構(gòu)加工制造過程，如身管的預(yù)熱處理、成型加工引起的殘余應(yīng)力等;

　　(3)現(xiàn)在能夠進(jìn)行有限元分析的軟件很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，值得研究如何將各個軟件進(jìn)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(fèi)等多種原因，國內(nèi)兵器行業(yè)積累的原始數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足夠支撐有限元分析，希望有關(guān)部門能給予重視和支持。