摘 要

随着国民经济中对海洋探测的需求和军事装备的发展需求，弹体入水问题在民用领域和军事领域具有重要的作用，研究弹体入水问题并分析其机理具有一定的科学研究意义和工程应用价值。随着计算机和有限元的发展，有限元数值计算分析成为研究弹体入水问题的高效方法。

ANSYS/LS-DYNA显示动力学有限元分析软件广泛用于碰撞以及爆炸过程的力学分析和流固耦合领域问题的研究。本文首先总结了国内外研究弹体入水问题的现状和方法，介绍了ANSYS/LS-DYNA的计算步骤，讨论了Lagrange、Euler和ALE算法的区别和联系，确定了本文所要采用的算法和计算工况；建立了弹体入水的有限元模型，选择了不同的材料本构方程和状态方程，得到了不同工况下弹体侵彻入水的数值计算结果，再现了弹体入水的空腔现象和应力波传播过程，分析了不同的弹体入水速度对弹体的过载和应力波传播规律的影响。

最后对本文的数值计算工作进行了总结和展望，分析了所存在的问题，在本文工作的基础上，提出了下一步深入开展工作的几个方面。

关键词：弹体入水；LS-DYNA；ALE；数值模拟分析

Abstract

With the development needs of ocean exploration and military equipment in the national economy, the problem of into-water projectile plays an important role in civil and military fields.Researching the problem of into-water projectile and analysis the mechanism has certain scientific significance and engineering application value. With the development of computer and finite element, the finite element numerical analysis has become an efficient method to study the problem of into-water projectile.

ANSYS/LS-DYNA display dynamic finite element analysis software is widely used in the field of mechanical analysis of impact and explosion process, fluid structure interaction . At first, this paper summarizes the status and methods of domestic and foreign research about the problem of into-water projectile,introduces the calculation procedure of ANSYS / LS-DYNA, discussed the difference and the relation between Lagrange, Euler and ALE algorithm, determine the purpose of this paper and the algorithm and calculation conditions; establish the into-water projectile element model, choose different material constitutive equation and the equation of state, under different conditions of into-water projectile penetrating numerical calculation results, reproduces the into-water projectile and stress wave propagation process, analysis the effects of overload and stress wave propagation by different into-water projectile speed.

At last, the numerical calculation of this paper is summarized and prospected, and the existing problems are analyzed. On the basis of the work of this paper, some aspects are put forward.

Key words：into-water projectile；LS-DYNA;ALE;numerical simulation analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究意义 2

1.4 研究目标 2

第2章 ANSYS/LS-DYNA有限元模型 4

2.1 ANSYS/LS-DYNA有限元计算软件简介 4

2.2 基于ANSYS/LS-DYNA算法类型介绍 4

2.3 ANSYS/LS-DYNA求解步骤介绍 5

2.3.1 确立所需要研究的力学模型 6

2.3.2 ANSYS软件前处理建立模型 6

2.3.3 LS-DYNA求解器求解 6

2.3.4 LS-PREPOST后处理分析 6

第3章 数值模拟模型的建立和求解 7

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的建模及求解方法 7

3.1.1 物理模型 7

3.1.2 有限元模型的建立 8

3.1.3求解器基本参数设置 10

3.1.4 K文件 10

3.2 材料模型 10

3.2.1 弹体材料模型 11

3.2.2 流体材料模型 11

第4章 数值模拟结果与分析 12

4.1 弹体运动分析 12

4.2 空气腔形状 12

4.3 应力波的传递 15

第5章 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

在上世纪30年代初，人们开始着手研究固体子弹入水问题，其最重要的应用在于军事领域，当时主要研究子弹的轨迹和水冲击力（特别是最大冲击载荷）在设计可以入水的导弹的过程中，尤其在弹体入水的初级入门阶段，起到至关重要的作用。

弹体入水的研究可追溯到Worthington^[1]在1890年所研究的弹体在不同的速度下对水的侵彻深度问题。到了1940年之后，鱼雷的研究促使弹体入水问题得到了进一步的发展。美国在相关方面投入了大量的设备与资源，进行了许多相关的实体试验，对不同尺寸的导弹模型发射入水中来进行试验，得到了许多宝贵的试验数据，这些数据对弹体入水的研究提供了良好的实验基础。随着相关电脑软件（比如ANSYS等）的开发、应用与普及，使得弹体入水的研究可以放在电脑上，使得这项研究得到飞速的发展^[2]。使用有限元软件进行建模，得到相关的模拟实验模型，并运用相关的软件进行求解，这样的方法突破了需要高成本实验的屏障，使得弹体入水问题真正成为一门系统的研究门类。

图1.1 反潜弹体入水图