仿真计算结果的有效性验证

对于典型高强度低合金钢和纤维材料有间隔层合工况，钢板后无纤维材料板约束，残余破片和冲塞块一起以随机姿态出靶，并且冲塞块的速度略大于残余破片的速度，破片和塞块都会因与空气耦合而发生随机翻转及飞行轨迹偏转，距离越长，两者在纤维材料板上的着靶点越难重合，整个过程是随机的。而数值仿真是针对理想条件进行的，且AutoDyn软件主要用于爆炸冲击的动力学仿真，采用拉格朗日算法无法对破片与空气耦合而产生的翻转行为进行仿真。因此，有间隔复合结构抗破片侵彻性能仿真只能针对最理想的垂直侵彻进行，即在破片具有最强侵彻能力条件下进行数值仿真。

根据试验结果，7.5 g破片高速贯穿合金钢板后，因侵蚀效应，破片质量有所损失，约为原破片质量的85%（即6.2 g）。若将穿透合金钢板的破片与塞块共同构成侵彻体，则质量为7.7 g左右。将残余破片和塞块等效为一圆柱体建立其等效结构，并假设两者具有相同速度。采用上述仿真接触算法、材料模型及参数进行残余破片和塞块对10 mm、12 mm厚芳纶纤维板及复合纤维板侵彻的仿真计算，如图4.21所示。

通过仿真计算获得贯穿合金钢靶板后的残余破片对10 mm、12 mm厚芳纶纤维板及复合纤维板的弹道极限速度，列于表4.30中。

因试验数据较少，相同材料的结构只有两个点，且对于有间隔试验破片贯穿合金钢板后具有较大的随机性；在试验量上，在规律尚不完全掌握的条件下，难以用标准化残差值及极差值检验数值仿真的可靠性；在此，仍采用相对统计误差对数值仿真模型进行检验；虽然可靠性难以达到较高的要求，无法反映试验点的离散情况，但相对统计误差也能在一定程度上验证仿真结果的可靠性。

图4.21　残余破片和塞块对10 mm、12 mm厚纤维板侵彻的数值仿真

（a）7.5 g破片侵彻10 mm厚芳纶纤维板；（b）7.5 g破片侵彻12 mm厚芳纶纤维板；（c）7.5 g破片侵彻10 mm厚复合纤维板；（d）7.5 g破片侵彻12 mm厚复合纤维板

表4.30　残余破片和塞块对10 mm和12 mm厚纤维板的弹道极限

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根据3.10节获得的式（3.24）计算可知，对于4 mm厚合金钢，当破片撞击速度为1 020.2 m/s时，破片贯穿合金钢后的剩余速度为745 m/s，大于表4.30中贯穿12 mm厚芳纶纤维板所需的742.5 m/s速度；当撞击速度为969 m/s时，破片贯穿合金钢后的剩余速度为695 m/s，大于表4.30中贯穿12 mm厚复合纤维板所需的692.5 m/s速度。因此，根据数值仿真结果分析可见：

①对于4 mm厚合金钢和12 mm厚芳纶纤维材料板有间隔层合的复合结构，7.5 g破片的弹道极限速度应不小于1 020 m/s。

②对于4 mm厚合金钢和12 mm厚复合纤维材料板有间隔层合的复合结构，7.5 g破片的弹道极限速度应不小于969 m/s。

试验中，在4 mm厚合金钢和芳纶纤维材料有间隔条件下，7.5 g破片对靶板的弹道极限速度为923 m/s，数值仿真值较试验值大10.5%；在4 mm厚合金钢和复合纤维材料有间隔条件下，7.5 g破片对靶板的弹道极限速度为1 094 m/s，数值仿真值较试验值小11.4%；因数值仿真是针对理想情况进行的，仿真获得的计算结果应小于试验值。数值仿真模型计算结果与试验值的相对统计误差不超过10.5%，具有一定的计算精度。

根据式（3.24）可知，对于5 mm厚合金钢，当破片撞击速度为1 031.2 m/s时，破片贯穿合金钢后的剩余速度为680 m/s，大于表4.30中贯穿10 mm厚芳纶纤维板所需的677.5 m/s速度；当撞击速度为900.6 m/s时，破片贯穿合金钢后的剩余速度为545 m/s，大于表4.30中贯穿10 mm厚混杂纤维板所需的542.5 m/s速度。因此，根据数值仿真结果分析可见：

①对于5 mm厚合金钢和10 mm厚芳纶纤维材料板有间隔构成的复合结构，7.5 g破片的弹道极限速度应不小于1 031 m/s。

②对于5 mm厚合金钢和10 mm厚复合纤维材料板有间隔构成的复合结构，7.5 g破片的弹道极限速度应不小于900 m/s。

试验中，在5 mm厚合金钢和芳纶纤维材料有间隔条件下，7.5 g破片对靶板的弹道极限速度为907 m/s，数值仿真值较试验值大13.6%；在5 mm厚合金钢和复合纤维材料有间隔条件下，7.5 g破片对靶体的弹道极限速度为983 m/s，数值仿真值较试验值小8.4%；因数值仿真是针对理想情况进行的，仿真获得的计算结果要小于试验值。数值仿真模型计算结果与试验值的相对统计误差不超过13.6%，具有一定的计算精度。

综上所述，数值仿真较试验值的相对统计误差不超过13.6%，表明仿真模型具有满意的计算精度。仿真误差主要产生于芳纶纤维后置板的仿真，既有可能是试验板工艺不稳，也有可能是芳纶纤维模型参数存在误差的原因，在此不做深入讨论。