王良全，刘建荣，商 飞，孔德仁

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094； 2.中国兵器试验测试研究院，陕西 渭南 714200)

1 引言

钢混结构的侵彻毁伤问题是研究的热点[1]，通常采用实弹打靶方式开展研究，危险系数大，成本高，需要耗费大量的人力物力，同时钢混结构靶标浇筑固化周期长，制约着侵彻毁伤研究的快速高效发展[2]，鉴于此，钢混结构模型侵彻过程的有限元仿真计算成为业内关注的重点。但是钢混结构有限元建模需要建模人员对ANSYS等软件有较深入的掌握，建模时间长，技术人员承受大量重复劳动，负担重，因此有必要针对钢混结构靶标开展快速建模方法研究。目前国内外很多研究人员对ANSYS进行二次开发，实现某一特定功能的有限元模型快速建立，大大简化了模型建立过程中的复杂度。如：丁洋等[4]通过C#语言开发擦窗机立柱参数化有限元建模及结构分析软件，并通过可视化界面将信息尽可能地反馈给用户。韩志仁等[5]基于ANSYS Workbench软件的DM模块以及DS模块进行二次开发,建立专用的橡皮囊成形分析模块,实现橡皮囊成形有限元模型的快速构建，与传统有限元建模方法模拟结果吻合较好。饶华祥等[6]利用APDL和UIDL语言建立截止阀应力分析专用系统，分析截止阀在地震载荷下的应力变化情况。刘文凯等[7]利用 C++对ANSYS进行二次开发，建立了长输供热直埋弯管的有限元模型，并利用该有限元模型进行应力分析，结果表明，利用这种建模方式得出的结果比弹性抗弯铰解析法得出的结果更加精确。候士通等[8]利用APDL语言个Matlab程序，开发了在变幅荷载条件下的大跨桥梁疲劳进行模拟分析软件，实现了移动车载作用下大跨桥梁所有构件的疲劳寿命和疲劳失效概率可视化。冯玉宾等[9]采用ANSYS参数化设计语言APDL与用户界面设计语言UIDL对ANSYS进行二次开发，实现了RV减速器整机的参数化建模，并采用Pro/E进行运动学仿真对该模型进行了验证。赵蒙屏等[10]基于用户可编程特性(UPFS)和参数化设计语言(APDL)，将混凝土徐变模型和本构方程引入ANSYS。自定义编写开发的混凝土温度徐变应力计算模块，可高效求解大体积混凝土在水化热作用及天然冷却下产生的温度场及温度徐变应力场，并得到温度及应力的分布和变化规律。在各类文献中，尚未发现针对战斗部侵彻试验用钢混结构靶标开展快速建模的研究介绍。

LabVIEW平台在爆炸毁伤瞬态参量测试领域应用广泛，其二次开发模式主要有2种模式，第一种，采用UIDL语言和APDL语言结合进行，UIDL设计建模界面，APDL编写建立模型的宏文件，从而实现建模软件，该模式依赖于ANSYS本体界面，APDL编程的任意错误将会导致ANSYS软件无法启动，软件也无法灵活的后期修改；第二种模式采用第三方软件对ANSYS进行二次开发，目前多采用VC语言编写软件界面以及实现建模功能，ANSYS软件留有第三方数据通信接口，实现起来较为容易[11-13]。在ANSYS二次开发文献中尚未有利用LabVIEW开发的先例，考虑到钢混结构侵彻计算后续软件扩展及与第三方软件数据接口问题，本文开展钢混结构靶标数字化快速建模方法研究，首先分类现有通用钢混结构类型，然后根据各类钢混结构特点，设计各类结构数字化建模表征参数，最后大量统计分析各类表征参数，封装各个典型钢混结构分类参数库，采用LabVIEW软件构建钢混结构数字化快速建模平台，嵌入APDL语言自动生成有限元实体模型，快速导入ANSYS平台，实现钢混结构有限元模型的快速建立。

2 钢混结构靶标模型数字化分类

根据目前钢混结构靶标最终模拟对象以及当前靶标设计使用现状，可将钢混结构靶标分为单层靶标，多层靶标和成层靶标等3类典型结构。每一类模型在建立过程中涉及的材料种类存在一定的差异，总体包括四类材料，分别为混凝土、钢筋、沙土和碎石，通过不同的材料组合建立具有不同力学性能的靶标模型。

单层钢混结构靶标由混凝土和钢筋组成；，如图1(a)所示；多层靶标在模型结构上可视为由多个单层钢混结构靶标通过一定的空间位置关系组合而成，如图1(c)所示；成层靶标相似于多层靶标，在多层靶标中，每一层靶标之间具有一定的间隔距离和倾斜角度，成层靶标中靶标与靶标之间是相互连接的，但每一层材料类型不同，因此在区分成层靶标层数的时候可以根据材料的种类进行分类，如图1(b)所示。

图 1 3类靶标实物图Fig.1 Physical map of three types of targets

3 钢混结构靶标建模数字化表征参量研究

在建立有限元数值仿真模型时需要对靶标结构进行分析，研究不同类型靶标在建模过程中所需要的几何参量，并对这些几何参量进行提取分析，找到表征不同类型靶标结构需要的所有参量，通过表征参量建立所需要的靶标类型。

单层靶标结构设计图如图2，由图中可以看出在建立一个单层钢混结构靶标时需要的几何参量如下所示：

1) 混凝土结构长、宽、高；

2) 钢筋长度及横截面积；

3) 钢筋网络密度(包括层数、单层钢筋数量)；

4) 靶板安放角度；

当上述表征参量确定时，可使用ANSYS建立单层靶标有限元数值仿真实体模型。

图2 单层靶标结构设计图Fig.2 Single-layer target structure design drawings

多层靶标结构设计图如图3所示，在建立多层钢混结构靶标时需要的几何参量如下所示：

1) 各层靶标混凝土结构的长、宽、高；

2) 各层靶标钢筋长度及横截面积；

3) 各层靶标钢筋网络密度(包括层数、单层钢筋数量)；

4) 靶板安放角度；

5) 靶标的层数；

6) 各层靶标之间的间隔距离；

当上述表征参量确定时，可使用ANSYS建立多层靶标有限元数值仿真实体模型。

图3 多层靶标设计图Fig.3 Multi-layer target design drawing

成层靶标结构设计图如图4所示，成层结构靶标数字化可以通过以下参量表征：

1) 各层靶标的长、宽、高及材料类型；

2) 钢混结构层钢筋长度及横截面积；

3) 钢混结构层钢筋网络密度(包括层数、单层钢筋数量)；

4) 靶标安放角度；

5) 成层靶标的层数

当上述表征参量确定时，可使用ANSYS建立成层靶标有限元数值仿真实体模型。

图4 成层靶标设计图Fig.4 Design drawing of layered target

4 参数化建模平台设计

4.1 参数化建模平台总体设计

ANSYS并没有预留与LabVIEW的数据通信接口，常见的Visual C++的开发模式不适用于LabVIEW，本文采用第三方程序调用的形式实现LabVIEW与ANSYS之间的数据交换，设计的钢混结构靶标参数化建模流程如图5所示。

图5 钢混结构参数化建模流程框图Fig.5 Parametric modeling process of steel-concrete structure

在进行钢混结构有限元建模时，主要涉及两大部分，分别为材料参数属性和靶标结构几何参数。材料参数属性主要包括钢筋材料属性、混凝土材料属性、沙土材料属性和砖墙材料属性，材料的各个参数属性需要根据不同的材料类型去确定,如混凝土的密度、体积弹性模量、剪切模量、切变强度、最大断裂应变等[14-15]，不同的材料参数得到的混凝土模型强度也不一样，同理，改变其余3类材料参数的属性所得到的材料力学性能也不一样。

靶标结构几何参数主要包括建模起始坐标、靶标表征参量、网格划分大小。生成指令流是按照上述输入参数，采用ANSYS二次开发语言APDL生成建模所需要的指令。由于ANSYS在启动的时候只会运行主程序默认的宏文件(.mac)，不会自动加载开发者编写的命令流文件，所以需要将上述的命令流文件转化为ANSYS能识别的宏文件，并将该宏文件添加到ANSYS的启动目录下。由于LabVIEW无法编译ANSYS的命令流文件，需要LabVIEW向ANSYS发送第三方程序调用指令，以后台软件启动的形式打开ANSYS，并运行上述钢混结构靶标建模的宏文件，从而生成对应的有限元实体模型结构。

按照上述模型建模流程对钢混结构靶标参数化有限元模型建模软件进行设计开发，得到如图 6所示的参数化建模操作平台界面。

图6 参数化建模操作平台界面Fig. 6 Parametric modeling operation platform

4.2 钢混结构靶标参数化建模模块设计

不同类型靶标在建立有限元模型的时候需要用到不同种类的材料，需要输入不同的结构尺寸和建模所需要的关键参数。根据实际需要，钢混结构靶标模型主要运用到4种材料，分别为混凝土、钢筋、沙土和碎石，根据ANSYS材料库对材料参数属性的定义，编写各个材料参数属性的输入模块。4种材料的属性参数很多，以混凝土材料参数属性输入模块界，其输入模块界面如图7所示。定义一个材料具有很多的参数属性，在实际建模过程中如果每次都一一输入上述的各个参数需要花费较多的时间和精力，因此大量统计分析各类表征参数，将多种典型钢混结构材料参数预存于数据库中，使用时可以根据需要快速自动读取对应的材料参数。

图7 混凝土材料参数属性输入模块界面Fig.7 Input module of concrete material parameter properties

考虑到ANSYS在进行单层靶标、多层靶标和成层靶标建立有限元模型时所需要的各类不同建模参数之间存在的差异性，开发了如图8所示的3类靶标建模参数设计界面。

图8 成层靶标设计模块界面Fig.8 Layered target design module

对于单层靶标和多层靶标的设计而言，多层靶标的设计是将单层靶标按照一定的间隔进行排列所得，多层靶标的设计在一定程度上和单层靶标具有很大的相似性；对于单层靶标和成层靶标的设计而言，成层靶标是建立多个不同类型的单层靶标，不同点在于成层靶标每一层的几何尺寸、材料参数、网格划分都是独立进行的，多个不同的单层靶标组合体才是成层靶标。在不同种类的靶标设计时，钢混结构中不同的配筋率直接影响钢混结构的强度，所以需要根据实际结构的配筋率计算钢筋网靶的层数和钢筋数量，从而满足需要的钢混结构强度需求。

4.3 钢混结构靶标模型生成设计

ANSYS进行有限元模型建立过程中是通过编译APDL语言写成的命令流文件来实现的，3类靶标设计的各类参数需要通过LabVIEW编写成命令流文件，ANSYS运行该命令流文件生成对应参数下的钢混结构靶标模型。从3类靶标的命令流文件来看，其命令流组成结构流程如图9所示。

图9 APDL命令流组成结构流程框图Fig.9 APDL command flow composition structure flow chart

采用LabVIEW的第三方程序调用指令，以命令行的形式打开ANSYS，并将上述钢混结构靶标操作的宏文件自动添加到ANSYS启动目录下，使得ANSYS接到调用指令后自动加载靶标建模文件，在ANSYS主界面打开的同时，对应的钢混结构靶标有限元模型也生成完毕。实际操作得到3类不同靶标的有限元模型结构如图10所示。

图10 3类靶标有限元实体模型示意图Fig.10 Finite element model of three types of targets

结果表明其与在ANSYS中手动生成的模型数据尺寸保持一致，满足有限元仿真模型要求。

建模平台不需要更改所有材料的属性参数或模型结构参数，只需要修改个别参数的值即可构建一个新模型，并将数据保存至数据库中，通过LabVIEW建立与数据库之间的通信，实现建模参数的保存、修改和调用，大大降低了操作人员的工作负担，节省了整个建模过程所花费的时间。

5 数字化建模方法验证

为了验证数字化建模方法的时效性及建模精度，利用上述数字化建模平台建立某典型有限元靶标实体模型，进行某型弹丸侵彻四层靶标数值仿真分析验证。弹丸初始速度为800 m/s，弹丸侵彻第一层靶标过程如图11所示。

图11 弹丸侵彻单层靶标仿真图Fig.11 Projectile penetration into a single-layer target

经过软件实际操作，钢筋混凝土结构重复建模时，典型条件下，由原先单人工费时2 h降低至0.4 h左右，建模时间缩短80%，大大提高了钢混结构靶标建模效率。

仿真结束后对数据进行分析，弹丸侵彻4层靶标共计16 ms。其中第一层靶板侵彻加速度过载峰值约为 3 454g。侵彻第一层靶板后弹体速度由800 m/s降到786 m/s，经过弹载加速度测试系统测试实际弹丸侵彻第一层靶板加速度过载峰值为2 782g，仿真加速度过载峰值与实测加速度过载峰值之间的相对误差为24.155%，满足弹体侵彻靶标数值仿真精度要求。

6 结论

1) 将常用侵彻靶标分类为单层靶标、多层靶标和成层靶标3类，常用靶标材料分为混凝土、钢筋、沙土和碎石等4种，逐类型封装成数字化模型库。

2) 利用labVIEW平台开发专用数字化建模软件，在钢混结构靶标实体与ANSYS软件之间架设数字化转换通道，构建了模型库快速调用，有限元模型快速生成的高效平台。

3) 利用数字化建模平台对生成的模型进行有限元数值仿真实验分析，仿真结果与实测结果的相对误差为24.155%，满足弹体侵彻靶标数值仿真精度要求，证明了该方法的有效性，为钢混结构侵彻的高效计算提供了有力的建模分析手段，具有广阔的工程应用前景。