在兵器设计中CAE仿真技术的应用
[摘要]本文介绍了应用以ANSYS为代表的有限元CAE仿真技术对兵器行业发展的推动作用，介绍了有限元CAE仿真技术在兵器行业的主要研究内容和典型应用案例，并总结了常见的兵器结构的仿真关键点，最后提出了该领域存在的一些问题和发展思路。
兵器科学技术的发展凝聚着人类的智慧，每个时代的兵器都代表着当时的科技水平。20世纪后，兵器的发展进入了现代兵器时代。现代兵器是更加复杂、性能优良的高科技武器系统。兵器科学技术已经逐渐形成了以空气动力学、爆炸力学、理论力学、材料力学、弹道学、电子学、光学、化学等为内容的综合性学科。
常规兵器行业包括以下几类结构：坦克、装甲车辆行业，火炮行业，轻武器行业，弹药行业和军用光电、电子行业。
常规兵器工业的发展趋势呈现以下特点：
1)常规兵器工业将会继续进行结构调整，制造技术和加工手段将日益精良;
2)常规兵器科研和生产领域的国际合作将不断加强，各国军品出口政策将更加灵活，世界军火市场的竞争将日益激烈;
计算机辅助工程(CAE)技术，不但替代了大量的传统物理试件和试验，还能够帮助设计者快捷准确地判断兵器产品的功能、性能及各种战术指标的满足情况。CAE也可以帮助决策者在兵器产品设计早期，依据科学预测和数值以分析提高设计的决策水平和能力。通过引入CAE技术到兵器设计中，可以获得以下效益：
1)CAE仿真可以有效地缩短新产品的开发研究周期，大幅度地降低产品研发成本;
2)虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数，能够精确的预测出产品的性能和战术指标，以设计出高质量的产品;
3)操作者可以在研制初期阶段就发现方案中可能存在的不合理现象，及早发现问题;
4)各类用户(包括武器装备的研制部门、采购部门、训练部门和军事使用部门)可在合成环境中根据需要来综合应用各种仿真手段进行演习、训练和试验，以鉴定现有和研制中的武器装备的性能、战术部署和后勤保障;
因此，在武器装备研制生产过程中，仿真系统已被规定列为必需的装备。
一、CAE仿真技术用于兵器行业的主要研究内容及关键技术
建国以来，我国的兵器装备的发展是沿着引进—仿制—改进—创新的路线发展，伴随着这一发展主线，该行业的研究人员所做的工作也是逐渐由基础分析、简单分析计算过渡到复杂分析、系统分析。尤其是兵器行业相关的科研院所和国内一些高校在近几年做了不少努力。
随着常规兵器行业的飞速发展与日趋成熟，世界上很多国家在兵器行业投入的预研人员与装备也日趋精良和先进。我国在大型仿真软件方面的发展还相对比较落后，仿真技术工作主要借助于国外的软件来进行。
就目前国内外CAE软件现状而言，ANSYS软件作为全球CAE领域主要领导者之一，为兵器工业中的坦克、车辆、火炮、枪械、弹药等产品的设计与仿真，提供了涵盖诸多领域的强有力的设计工具，可以说是提供了最全面的兵器工业CAE解决方案。
1.主要应用CAE的仿真内容及典型应用
常规兵器中，以火炮、坦克、轻武器以及弹药为主要内容，对于每个产品的研制，都可以利用ANSYS仿真来帮助设计人员预测产品性能和战技指标。
(1)弹药及其战斗部的仿真
为了适应现代战争需要，弹药需要具备：精确打击能力、远程压制能力、高效毁伤能力等性能。ANSYS系列软件包含了弹体强度与刚度分析、电子信息系统EMC/EMI分析、内外弹道的流体动力学分析、终点效应学的显式动力学分析等弹药和战斗部设计的主要领域，主要解决弹药的射程、威力、精度三大问题。
典型应用案例如图1，图2，图3所示：
另外，如气动加热下导弹弹体温度场有限元分析，导弹弹体动力响应有限元分析，装甲材料侵彻试验的数值仿真研究，散姿态可控离散杆战斗部数值算法研究，超声速半穿甲战斗部侵彻过程数值仿真，定向战斗部数值计算研究，钨合金空心弹体垂直侵彻间隔靶过程数值模拟研究等，现在均可以通过CAE仿真技术较好的实现预研和评价。 #p#page_title#e#
(2)坦克装甲车辆的结构刚强度分析
火力、机动、防护，是坦克装甲车辆最主要的性能指标。作为坦克装甲车辆主体结构的车体，不仅是防护的主要部件，也起着承担设备重量、承受行驶和发射时载荷的作用。通常车体为了减重和保证刚度，都做成薄壁板筋件+加强筋的结构形式，且焊缝很多。对于炮塔，其孔口多、受力大、而且处于最易被击中的位置，并且座圈支撑的刚度有限，因此炮塔的设计也较为复杂。
在设计中，为了满足战技指标，需要通过ANSYS等有限元分析工具，对结构总体的强度、刚度、动态特性进行分析，并且对局部结构如焊缝、孔洞、开窗等处进行详细的刚强度分析。特别是考虑到车辆行驶过程中和射击过程中的结构动态响应特性，近年来很多车体和炮塔的设计均要求进行动态分析，为能够更准确的向设计提供参考依据。ANSYS瞬态动力学分析功能包括隐式和显式两大部分，为动态设计提供了全面的解决方案。如图4，图5所示。
通过CAE仿真技术，对坦克装甲车辆的主要结构——车体部分进行刚度、强度计算和分析，可以实现概念设计或方案设计阶段对壳体刚强度的校核，同时能实现优化设计和减重目标，为设计决策人员提供很好的参考依据。
(3)坦克、装甲车辆及火炮等兵器关键部件的有限元分析
坦克装甲车辆通常由武器系统、推进系统、防护系统、通信系统、电气系统等组成。对于其中的关键零部件，需要在预研和概念设计阶段，进行分析和仿真，以便于为设计提供参考。典型应用案例如图6，图7所示：
其它典型应用如平衡肘刚强度分析，闩体曲臂肘分析，火炮药筒抽筒力的数值模拟，炮闩刚强度分析，发动机支座刚强度分析，履带板动态响应分析，炮口冲击波对车体顶甲板及附近结构冲击的动态有限元分析等。
通过这些关键部件的分析，进行相应的结构改进设计，能够解决试验中出现的问题，满足军方指标要求。实际上，在我国一些大型科研项目中，通过ANSYS软件对关键零部件进行分析，确实解决了一些关键问题。
二、结论
1.兵器结构仿真分析类型小结
(1)结构静力学刚强度有限元分析
为了适应机动性、灵活性的战争特点，新式的坦克装甲车辆和压大多路况很差，而武器又要满足精度的要求，这样对薄壳装甲的刚强度要求就显得尤为重要。采用ANSYS软件进行静态刚强度校核，就能够很好地解决这个问题。
(2)结构模态有限元分析
武器装备在满足静态刚强度的基础上，还要进一步考虑其动态性能。通过结构模态有限元分析，可以得到结构的固有频率和振型，从而能够有效避免共振，降低噪声，减轻冲击振动对结构的损坏。准确的有限元模型是确保计算结果正确的关键，但由于实际情况的复杂性，使得有限元模型必须做很多简化，这便会产生误差。校正模型以及检验模型的正确性，就必须借助于模态试验。
(3)结构动响应有限元分析
仅仅把静态刚强度作为结构刚强度衡量的唯一准则，已不能满足结构设计的要求。通过有限元动态分析方法计算出整车的动态特性模型及参数，从而预估动态特性响应，为结构设计提供更加全面的理论分析参考。当然，结合试验的进行，能够使得计算更有说服力。
2.兵器结构应用CAE的仿真现状及建议
随着常规兵器产品的发展趋势，轻量化和降低成本要求的日益迫切，对薄壳装甲进行合理的设计，改善结构强度，发挥结构的最大功效已经变得越来越重要。
在最近几年，尤其是最近2至3年，在兵器行业越来越重视在概念设计和方案设计阶段运用有限元分析，使得许多问题提早暴露解决，从而节约了研制成本，缩短了研制周期，提高了产品质量。同时，这对结构CAE仿真也提出了更加严格的要求。如何提高CAE仿真预测的分析精度，保证计算结果的可信度，已成为我们关注的最重大的课题。如下这些问题，有待于国内各研制单位今后进一步解决： #p#page_title#e#
(1)如何建立合理的物理模型来描述实际问题，如结构的受载情况、结构真实的材料特性、接触参数选择和焊接的处理等;
(2)如何模拟结构加工制造过程，如身管的预热处理、成型加工引起的残余应力等;
(3)现在能够进行有限元分析的软件很多，各有优缺点，值得研究如何将各个软件进一步完善，以及很好地解决与CAD的接口问题及软件之间的数据共享;
(4)有限元分析离不开有效的试验数据支持，由于经费等多种原因，国内兵器行业积累的原始数据还远远不足够支撑有限元分析，希望有关部门能给予重视和支持。
