Page 93 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 吴 昊，等： 基于战斗部侵彻动爆一体化效应的遮弹层设计 第 5 期

1 侵彻动爆一体化有限元分析方法及验证

基于 LS-DYNA 软件的装药体积填充和侵彻爆炸分步耦合技术，提出三阶段弹体侵彻动爆一体化有
限元分析方法。由于缺乏公开的弹体侵彻动爆试验数据，分别对装药运动爆炸试验 [16] 以及 NSC [3] 和

UHPC [4] 靶体的侵彻静爆试验进行数值模拟，对比验证所提出方法对爆炸波传播、靶体内应力峰值和开
裂行为及其损伤演化等预测的准确性。

1.1 侵彻动爆一体化有限元分析方法
在侵彻动爆法的数值模拟方面，李述涛等 和 Wei 等 [8-9] 基于装药体积填充技术和弹壳、靶体、空气
[7]
及装药四者全程耦合算法，使弹壳与装药协同运动并在指定时刻起爆，开展侵彻动爆分析。该方法的耦
合关系较复杂，计算效率偏低，不适用于大尺寸或原型工况的分析。为此，提出如图 1 所示的三阶段弹
体侵彻动爆一体化有限元分析方法。阶段Ⅰ为模型建立阶段，建立弹壳、靶体和空气模型，其中弹壳和
靶体设置为拉格朗日（Lagrange）单元，空气设置为任意拉格朗日-欧拉（arbitrary Lagrange-Euler，ALE）单
元，该阶段与常规建模方法的主要区别是需要将装药及运动区域的空气网格进行精确划分，以保证装药
的准确填充和弹药协同运动过程中两者的界面清晰。阶段Ⅱ为弹药协同运动侵彻阶段，采用装药体积

填充技术，选取弹壳内腔面的单元作为边界，以空气作为背景物质，通过关键字*INITIAL_VOLUME_
FRACTION_GEOMETRY 进行装药填充，同时赋予装药与弹壳相同的初始运动速度 v ，在该阶段中，装药
0
与弹壳相互作用，使两者协同运动且始终保持速度一致，直至装药起爆。阶段Ⅲ为带壳装药运动爆炸阶
段，由于侵彻过程的流固耦合关系较爆炸过程简单，采用侵彻爆炸分步耦合技术以提高计算效率，通过
关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 分别设置“装药-弹壳”和“装药-靶体”之间的流固
耦合关系，在侵彻过程仅启用“装药-弹壳”耦合关系，使其协同运动，在爆炸过程加入“装药-靶体”耦
合关系以充分表征其流固耦合作用，相较于传统全程耦合法 [7-9] ，计算效率可提高约 20%。装药在侵彻过
程某一时刻起爆，弹壳断裂产生破片，爆炸波与破片共同作用于靶体。弹壳与靶体之间的接触由关键字
*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE 实现。在侵彻和爆炸作用下，靶体网格可能出现畸
变，因此，在数值模拟中添加关键字*MAT_ADD_EROSION 并采用最大主应变准则控制网格删除。为确
保数值模拟结果的可靠性，还需对上述侵彻动爆一体化有限元分析方法进行试验验证。

StageⅠ StageⅡ StageⅢ
Explosive filling
Air Projectile fragment
Projectile

Target

Symmetry plane v 0

图 1 三阶段弹体侵彻动爆一体化有限元分析方法
Fig. 1 Three-stage finite element analysis method of integrated projectile penetration and moving charge explosion
1.2 试验验证

1.2.1 装药运动爆炸试验
Armendt [16] 开展了 2 发编号分别为 No.582 和 No.587 的 0.17 kg 球形 Pentolite 炸药的空中动爆试验，
装药运动速度为 536.4 m/s。如图 2(a) 所示，在距离起爆位置 0.8 m 处布置了若干传感器以获取不同方位
角的爆炸波压力峰值。图 2(b) 给出了相应的有限元模型和爆炸波压力云图，考虑到模型的对称性，

1/4 空气域模型尺寸为 1 m×2 m×3 m。将装药通过体积填充技术建立于空气域中，并根据试验工况对其
初速度和起爆位置进行设置，网格尺寸取 8 mm。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_ BURN 材料模型和

053301-3