LS-DYNA侵彻分析—子弹穿靶模型

侵彻是可以运用LS-DYNA软件进行分析的一类典型非线性动力问题，在实际工程中有广泛的运用。本文以一颗子弹击穿双层钢板的动力问题分析为例介绍侵彻分析的实现方法。以workbench17.0版本为前处理工具，建立分析模型并导出K文件，对导出的K文件做必要的修改，然后提交给LS-DYNA求解器进行求解，最后在LS-PrePost中对分析结果进行相关后处理。

1、问题描述

直径15mm、长45mm的子弹以1000m/s的初始速度垂直射向两层钢板，钢板尺寸均为150mmX150mm，厚度均为8mm，钢板间距为55mm，具体尺寸详下图1所示：

图1 子弹及钢板几何尺寸（单位：mm）

2、建立分析模型

首先，在Workbench中创建一个Explicit Dynamics(LS-DYNA Export)项目，如下图2所示：

图2 显示动力学分析系统

双击A2 Engineering Data单元格，进入材料编辑截面，选择Explicit Materials材料分组，选择STEEL 1006型钢材，该类型的钢采用Johnson Cook模型定义材料的强度，Johnson Cook模型适用于高应变率材料行为，对于子弹击穿钢板问题采用该模型是合适的。另外，子弹穿靶过程中伴随着部分材料失效的行为，因此还需要添加材料失效模型，Workbench中提供多种材料失效模型，在这里我们选择Johnson Cook失效模型，材料参数如下图3所示：

图3 STEEL 1006材料参数

双击A3 Geometry，启动Workbench软件集成的3D建模工具，选择“mm”作为模型长度单位，为了提高计算效率，我们可以考虑模型的对称性，建立1/4实体模型，在对称面上施加相应的边界条件，具体建模过程不再详述，DesignModeler是一款比较容易上手的3D建模软件，Workbench也支持其他软件建立模型导入，几何模型如图4所示：

图4 创建1/4子弹及钢板模型

退出DM几何建模模块，双击A4 Model，启动Mechanical模块。首先，选中项目树下Model>Geometry，依次选中子弹及钢板模型，将STEEL 1006材料指定给几何模型，然后，修改接触面参数，本例采用默认的Body Interaction接触模型，不需要设置接触面，默认是Frictionless（无摩擦），改为Frictional，输入Frictional Coefficient为0.15,Dynamic Cofficient为0.1。然后，划分网格，设置单元尺寸为2mm，网格划分方法为MultiZone，网格划分后的有限元模型如下图5所示，共有15716个节点，11860个单元。

图5 子弹及钢板有限元模型

设置子弹初速度，在Initial Conditions中插入Velocity命令，选择子弹模型，在垂直与钢板的方向施加1000m/s的初速度。然后设置分析时间，在Analysis Settings的Step Controls中选择End Time，输入6e-5，单位：秒，即分析时间为6e-5s,预计子弹飞行路程：1e6 mm/s . 6e-5 s =60mm。子弹在击穿钢板的过程中速度会降低，实际行程小于60mm，但子弹与第一块钢板之间的距离只有5mm，可以确定能击穿第一块钢板，而还没接触到第二块钢板。我们采用重启动分析方法，先分析子弹击穿第一块钢板的过程，然后分析击穿第二块钢板的过程。将Maximum Energy Error值改为0，在Time step Safety Factor 中输入0.6，在Solver Controls选择Unit System为mm,mg,ms模式，表示生成的K文件基本单位。其余参数采用默认值。施加边界条件，钢板四周采用固定约束，即Fixed Support模式，然后施加对称边界条件，若模型关于XY平面对称，则对称面的边界条件为FZ=FRX=FRY=0,其他情形类推即可。因该模块中对对称边无法施加转角约束（具体原因不详），为了简便起见，采用先施加固定约束，然后在生成的K文件中修改BOUNDARY_SPC相关参数的方法，生成对称边界。因第一次分析过程与第二块钢板无关，选中该钢板，将其抑制。至此，涉及Workbench的前处理工作已经完成，后面有修改可以直接在生成的K文件中进行。

右键单击结构树中的Explicit Dynamics(A5),选择Solve，生成LS-DYNA求解器运行所需的K文件，关闭Mechanial模块，选择Workbench菜单栏View命令，在该命令下Files前打勾，主窗口出现文件列表，如下图所示：

图6 生成的文件列表

图6中红色方框中就是我们需要的K文件，右键单击，打开该文件所在的文件夹并复制K文件。新建一个文件夹，将K文件copy进去，打开K文件，修改对称边界参数，如下图7所示：

图7 K文件边界条件参数

$符号后面的内容是说明部分，程序运行时自动忽略。1NSID参数表示节点集编号，6个方向自由度，1表示约束自由度，0表示释放自由度，2号节点集关于YZ面对称，3号节点集关于XZ面对称。修改完保存K文件并关闭。

启动ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，选择LS-DYNA Solver模块，Typical LS-DYNA Analysis分析类型，如图8所示：

图8 Ansys 启动窗口

选择Working Directory以及上面生成的K文件，点击Run按钮，将K文件递交为LS-DYNA程序求解计算。在程序的输出窗口可以观察到LS-DYNA分析过程，其中会有单元失效并被删除的信息。输出窗口出现 Normal Termination !,表明求解完成，按任意键退出。

3 结果分析

启动LS-PrePost程序，选择File>Open>Binary Plot，打开工作目录下的二进制结果文件D3plot，子弹和钢板接触过程中的几个分析步结果如图9所示：

图9 子弹与钢板的侵蚀接触过程图

图10 不同时刻Von-Mises应力分布图（单位：KPa）

图11 不同时刻模型中塑性应变分布云图

从图10中可以看到，子弹击穿钢板过程中钢板接触部位的Von-Mises等效应力一直在600MPa至630MPa之间，大大超过STEEL 1006材料的初始屈服强度380MPa，从图11中可以看出，在子弹与钢板接触过程中，随着时间推移，塑性应变的最大值是逐步变小的，这说明失效的单元已经被删除了，说明Johnson-Cook失效模型起作用了，且失效参数设置合理。

图12 子弹上某点的Z向速度时间历程曲线

图13 子弹上某点的Z向加速度时间历程曲线

从图12中可以看出，击穿第一块钢板后子弹的速度降至825 m/s左右。

图14 子弹侵彻第一块钢板过程中系统能量变化曲线

从图14中可以看出，系统总能量几乎不变，系统动能减少，而内能增加，沙漏能占比较少。

4、重启动分析

重启动分析是LS-DYNA中一个非常实用的功能。使用重启动进行分析，可以将一个完整的分析过程分为多个阶段进行，前一个阶段的分析成功后再进行下一个阶段的分析工作，若在某个分析阶段出现错误，需要修改模型参数，可以从上一阶段分析终止的状态开始重启动分析，而不用从模型最初状态开始分析，可以有效节省计算时间，特别是对于大型多步骤分析模型，重启动分析非常有效。

LS-DYNA提供三种重启动分析类型：简单重启动（simple restart）、小型重启动（small restart）和完全重启动（full restart）。

简单重启动分析只需要指定重启动文件，不需要指定重启动输入文件（K文件），因此，仅用于当K文件中设定的时间没有达到时继续进行，不需要对K文件做任何修改。

小型重启动允许对原来的K文件进行某些小的修改，如更改某些速度、边界和荷载条件，删除某些接触和单元、重新设置求解时间等。因此，进行小型重启动分析需要指定数据输入文件（修改后的K文件）和上次分析生成的重启动文件。

完全重启动分析是对原来的K文件进行大量修改后进行的，如增加新的材料和PART，增加新的接触定义，更改控制参数等。从某种意义上是一种全新的分析，只是这种分析要继承原来分析中已有PART的变形和应力情况，并将其作为完全重启动分析的初始状态，这种应力和变形的继承通过关键字 *STRESS_INITIALIZATION_{OPTION}来实现，可以在重启动时对原K文件中所有PART或部分PART进行初始化。

根据本例实际情况，在重启动分析中我们要增加一个PART，属于大量修改K文件范畴。因此，我们采用full restart模式，回到Workbench中，启动Mechanical程序，接触对第二块钢板的抑制。然后修改分析时间为1.8e-4 s，运行程序并生成新的K文件。新建一个文件夹RESTART，将新生成的K文件复制到该文件夹中，打开K文件，在文件末尾*END命令前添加一行命令“*STRESS INITIALIZATION”，该命令作用是在重启动进行的最开始，将子弹和第一块钢板的应力及变形状态初始化为前一个分析最后一刻的状态。然后，注意需要在K文件中删除 INITIAL VELOCITY DEFINITIONS 一栏，因为重启动分析时，子弹已经穿过第一块钢板，速度已经不是初始速度1000 m/s，若不删除初始速度定义命令，则重启动是子弹速度还是1000 m/s，显然与实际情况不符。