模拟仿真技术：理论应用与实践

在弹药设计研制过程中， 为了缩短研制周期、 节省经费， 必须采用模拟仿真手段来代替靶场试验。 模拟仿真技术早已成为弹药系统设计研制过程中不可缺少的一种技术手段。 弹药模拟与仿真技术主要分两类： 一类是试验模拟仿真， 另一类是数字模拟仿真。 下面介绍现代弹药设计过程中常涉及的模拟仿真技术。

1.弹药发射过程中的试验模拟技术

常用的发射模拟装置为气体炮， 它既可以模拟后坐过载， 又可以同时模拟旋转。 现代技术已经可以做到不仅模拟火炮膛内加速度峰值， 还可以模拟过程， 以及模拟加速度和角速度曲线。 气体炮一般使用惰性的氮气， 也可以使用膨胀迅速的氢气或氦气。

另外， 也常采用火炮和较轻的试验弹、 特减装药来模拟发射过程。 这种试验模拟既经济安全又便于观察和回收。

2.弹药外弹道飞行的风洞试验模拟技术和数字风洞技术

风洞试验模拟技术主要用来进行弹丸空气动力试验。 这种试验一般有两类： 一类为基础性试验， 用来对弹丸空气动力学的基本流动规律进行研究，目的在于获得气流流动的特点和气动力特性的普遍规律； 另一类是应用性试验， 用于确定作用在弹丸上的气动力、 压力分布等。 通过这些风洞试验， 可为弹丸设计及其受力提供气动力原始参数。 另外， 通过模拟吹风试验还可以对不同设计方案的气动力特性进行比较分析。

数字风洞技术主要是借助大型空气动力学数值软件来进行弹丸的空气动力特性研究， 如大型ANSYS 软件中集成的FLUENT 流体动力学分析模块就可以进行从亚声速到超声速流场中的弹丸气动特性研究。 数字风洞技术属于数字模拟仿真范畴。

3.弹药终点效应的试验模拟技术

在终点效应研究中， 常采用模拟试验的方法， 包括用小尺寸的模型替代原型的几何模拟法， 以及模拟原型的材料、 功能、 所处环境等的物理模拟法。模拟法的理论基础是相似理论和量纲分析。 为了使模拟试验现象与原型试验现象相似， 在模拟过程中必须遵守一定的相似条件。 几何模拟在穿甲机理、破甲机理等研究中应用很广。

4.现代弹药系统的模拟仿真技术(www.xing528.com)

当前现代弹药系统常采用的模拟仿真设备有仿真计算机、 三轴飞行运动模拟转台和舵机模拟器等。 根据现代弹药系统类型的不同， 其在目标和环境模拟技术和设备上存在差异。 例如， 采用毫米波制导的现代弹药， 必须配备阵列式(或机械式) 毫米波目标模拟器， 而且应在毫米波段的无回波室中进行。 双模制导的目标仿真则更为复杂。

5.终点效应的数字模拟仿真技术

终点效应的研究课题广泛， 从理论上归纳， 其主要有以下研究点：

(1) 爆炸对介质的驱动加速， 爆炸加载下的应力波传播及材料的破坏。(2) 不同介质中的爆炸现象。

(3) 高速碰撞。

(4) 弹丸及射流侵彻现象。

(5) 炸药的冲击起爆等。

上述研究课题绝大部分属于瞬变条件下的力学现象， 若采用试验的方法进行研究， 将对试验设备要求极高， 而且试验花费巨大， 且获得的有效结果有限，因此难度很大。 目前对一些课题的研究在很大程度上依赖于数值模拟技术。

在数值模拟技术中， 通常采用两类方法， 即有限元法和有限差分法。 有限差分法中又分为拉格朗日法和欧拉法。 一般对于需要清楚显示介质分界面运动特性的高速碰撞、 冲击侵彻等现象采用拉格朗日网格技术。 基于拉格朗日网格技术的有限元程序(如EPIC、 AUTODYNA 和DYNA 等) 已成功应用于高速碰撞、 侵彻、 爆炸驱动和爆炸成型弹丸等的计算中， 效果良好。 对于会产生大畸变的物质流动现象的不同介质的爆炸效应、 射流侵彻等现象， 则采用欧拉网格技术进行处理。 目前比较成熟的有限元程序也含有适合计算大畸变物质流动的欧拉算法， 例如， DYNA 程序在计算不同介质中的爆炸效应、聚能射流侵彻等结果也较为准确。 随着计算机运算能力、 储存技术的快速发展， 当前数值仿真已普遍应用三维仿真计算。