[摘要]本文介紹了應用以ANSYS為代表的有限元CAE仿真技術對兵器行業(yè)發(fā)展的推動作用，介紹了有限元CAE仿真技術在兵器行業(yè)的主要研究內(nèi)容和典型應用案例，并總結了常見的兵器結構的仿真關鍵點，最后提出了該領域存在的一些問題和發(fā)展思路。

　　兵器科學技術的發(fā)展凝聚著人類的智慧，每個時代的兵器都代表著當時的科技水平。20世紀后，兵器的發(fā)展進入了現(xiàn)代兵器時代。現(xiàn)代兵器是更加復雜、性能優(yōu)良的高科技武器系統(tǒng)。兵器科學技術已經(jīng)逐漸形成了以空氣動力學、爆炸力學、理論力學、材料力學、彈道學、電子學、光學、化學等為內(nèi)容的綜合性學科。

　　常規(guī)兵器行業(yè)包括以下幾類結構：坦克、裝甲車輛行業(yè)，火炮行業(yè)，輕武器行業(yè)，彈藥行業(yè)和軍用光電、電子行業(yè)。

　　常規(guī)兵器工業(yè)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特點：

　　1)常規(guī)兵器工業(yè)將會繼續(xù)進行結構調(diào)整，制造技術和加工手段將日益精良;

　　2)常規(guī)兵器科研和生產(chǎn)領域的國際合作將不斷加強，各國軍品出口政策將更加靈活，世界軍火市場的競爭將日益激烈;

　　計算機輔助工程(CAE)技術，不但替代了大量的傳統(tǒng)物理試件和試驗，還能夠幫助設計者快捷準確地判斷兵器產(chǎn)品的功能、性能及各種戰(zhàn)術指標的滿足情況。CAE也可以幫助決策者在兵器產(chǎn)品設計早期，依據(jù)科學預測和數(shù)值以分析提高設計的決策水平和能力。通過引入CAE技術到兵器設計中，可以獲得以下效益：

　　1)CAE仿真可以有效地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)研究周期，大幅度地降低產(chǎn)品研發(fā)成本;

　　2)虛擬樣機的引入減少了實物模型的試驗次數(shù)，能夠精確的預測出產(chǎn)品的性能和戰(zhàn)術指標，以設計出高質(zhì)量的產(chǎn)品;

　　3)操作者可以在研制初期階段就發(fā)現(xiàn)方案中可能存在的不合理現(xiàn)象，及早發(fā)現(xiàn)問題;

　　4)各類用戶(包括武器裝備的研制部門、采購部門、訓練部門和軍事使用部門)可在合成環(huán)境中根據(jù)需要來綜合應用各種仿真手段進行演習、訓練和試驗，以鑒定現(xiàn)有和研制中的武器裝備的性能、戰(zhàn)術部署和后勤保障;

　　因此，在武器裝備研制生產(chǎn)過程中，仿真系統(tǒng)已被規(guī)定列為必需的裝備。

　　一、CAE仿真技術用于兵器行業(yè)的主要研究內(nèi)容及關鍵技術

　　建國以來，我國的兵器裝備的發(fā)展是沿著引進—仿制—改進—創(chuàng)新的路線發(fā)展，伴隨著這一發(fā)展主線，該行業(yè)的研究人員所做的工作也是逐漸由基礎分析、簡單分析計算過渡到復雜分析、系統(tǒng)分析。尤其是兵器行業(yè)相關的科研院所和國內(nèi)一些高校在近幾年做了不少努力。

　　隨著常規(guī)兵器行業(yè)的飛速發(fā)展與日趨成熟，世界上很多國家在兵器行業(yè)投入的預研人員與裝備也日趨精良和先進。我國在大型仿真軟件方面的發(fā)展還相對比較落后，仿真技術工作主要借助于國外的軟件來進行。

　　就目前國內(nèi)外CAE軟件現(xiàn)狀而言，ANSYS軟件作為全球CAE領域主要領導者之一，為兵器工業(yè)中的坦克、車輛、火炮、槍械、彈藥等產(chǎn)品的設計與仿真，提供了涵蓋諸多領域的強有力的設計工具，可以說是提供了最全面的兵器工業(yè)CAE解決方案。

　　1.主要應用CAE的仿真內(nèi)容及典型應用

　　常規(guī)兵器中，以火炮、坦克、輕武器以及彈藥為主要內(nèi)容，對于每個產(chǎn)品的研制，都可以利用ANSYS仿真來幫助設計人員預測產(chǎn)品性能和戰(zhàn)技指標。

　　(1)彈藥及其戰(zhàn)斗部的仿真

　　為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，彈藥需要具備：精確打擊能力、遠程壓制能力、高效毀傷能力等性能。ANSYS系列軟件包含了彈體強度與剛度分析、電子信息系統(tǒng)EMC/EMI分析、內(nèi)外彈道的流體動力學分析、終點效應學的顯式動力學分析等彈藥和戰(zhàn)斗部設計的主要領域，主要解決彈藥的射程、威力、精度三大問題。

　　典型應用案例如圖1，圖2，圖3所示：

　　另外，如氣動加熱下導彈彈體溫度場有限元分析，導彈彈體動力響應有限元分析，裝甲材料侵徹試驗的數(shù)值仿真研究，散姿態(tài)可控離散桿戰(zhàn)斗部數(shù)值算法研究，超聲速半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程數(shù)值仿真，定向戰(zhàn)斗部數(shù)值計算研究，鎢合金空心彈體垂直侵徹間隔靶過程數(shù)值模擬研究等，現(xiàn)在均可以通過CAE仿真技術較好的實現(xiàn)預研和評價。

　　(2)坦克裝甲車輛的結構剛強度分析

　　火力、機動、防護，是坦克裝甲車輛最主要的性能指標。作為坦克裝甲車輛主體結構的車體，不僅是防護的主要部件，也起著承擔設備重量、承受行駛和發(fā)射時載荷的作用。通常車體為了減重和保證剛度，都做成薄壁板筋件+加強筋的結構形式，且焊縫很多。對于炮塔，其孔口多、受力大、而且處于最易被擊中的位置，并且座圈支撐的剛度有限，因此炮塔的設計也較為復雜。

　　在設計中，為了滿足戰(zhàn)技指標，需要通過ANSYS等有限元分析工具，對結構總體的強度、剛度、動態(tài)特性進行分析，并且對局部結構如焊縫、孔洞、開窗等處進行詳細的剛強度分析。特別是考慮到車輛行駛過程中和射擊過程中的結構動態(tài)響應特性，近年來很多車體和炮塔的設計均要求進行動態(tài)分析，為能夠更準確的向設計提供參考依據(jù)。ANSYS瞬態(tài)動力學分析功能包括隱式和顯式兩大部分，為動態(tài)設計提供了全面的解決方案。如圖4，圖5所示。

　　通過CAE仿真技術，對坦克裝甲車輛的主要結構——車體部分進行剛度、強度計算和分析，可以實現(xiàn)概念設計或方案設計階段對殼體剛強度的校核，同時能實現(xiàn)優(yōu)化設計和減重目標，為設計決策人員提供很好的參考依據(jù)。

　　(3)坦克、裝甲車輛及火炮等兵器關鍵部件的有限元分析

　　坦克裝甲車輛通常由武器系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。對于其中的關鍵零部件，需要在預研和概念設計階段，進行分析和仿真，以便于為設計提供參考。典型應用案例如圖6，圖7所示：

　　其它典型應用如平衡肘剛強度分析，閂體曲臂肘分析，火炮藥筒抽筒力的數(shù)值模擬，炮閂剛強度分析，發(fā)動機支座剛強度分析，履帶板動態(tài)響應分析，炮口沖擊波對車體頂甲板及附近結構沖擊的動態(tài)有限元分析等。

　　通過這些關鍵部件的分析，進行相應的結構改進設計，能夠解決試驗中出現(xiàn)的問題，滿足軍方指標要求。實際上，在我國一些大型科研項目中，通過ANSYS軟件對關鍵零部件進行分析，確實解決了一些關鍵問題。

　　二、結論

　　1.兵器結構仿真分析類型小結

　　(1)結構靜力學剛強度有限元分析

　　為了適應機動性、靈活性的戰(zhàn)爭特點，新式的坦克裝甲車輛和壓大多路況很差，而武器又要滿足精度的要求，這樣對薄殼裝甲的剛強度要求就顯得尤為重要。采用ANSYS軟件進行靜態(tài)剛強度校核，就能夠很好地解決這個問題。

　　(2)結構模態(tài)有限元分析

　　武器裝備在滿足靜態(tài)剛強度的基礎上，還要進一步考慮其動態(tài)性能。通過結構模態(tài)有限元分析，可以得到結構的固有頻率和振型，從而能夠有效避免共振，降低噪聲，減輕沖擊振動對結構的損壞。準確的有限元模型是確保計算結果正確的關鍵，但由于實際情況的復雜性，使得有限元模型必須做很多簡化，這便會產(chǎn)生誤差。校正模型以及檢驗模型的正確性，就必須借助于模態(tài)試驗。

　　(3)結構動響應有限元分析

　　僅僅把靜態(tài)剛強度作為結構剛強度衡量的唯一準則，已不能滿足結構設計的要求。通過有限元動態(tài)分析方法計算出整車的動態(tài)特性模型及參數(shù)，從而預估動態(tài)特性響應，為結構設計提供更加全面的理論分析參考。當然，結合試驗的進行，能夠使得計算更有說服力。

　　2.兵器結構應用CAE的仿真現(xiàn)狀及建議

　　隨著常規(guī)兵器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，輕量化和降低成本要求的日益迫切，對薄殼裝甲進行合理的設計，改善結構強度，發(fā)揮結構的最大功效已經(jīng)變得越來越重要。

　　在最近幾年，尤其是最近2至3年，在兵器行業(yè)越來越重視在概念設計和方案設計階段運用有限元分析，使得許多問題提早暴露解決，從而節(jié)約了研制成本，縮短了研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。同時，這對結構CAE仿真也提出了更加嚴格的要求。如何提高CAE仿真預測的分析精度，保證計算結果的可信度，已成為我們關注的最重大的課題。如下這些問題，有待于國內(nèi)各研制單位今后進一步解決：

　　(1)如何建立合理的物理模型來描述實際問題，如結構的受載情況、結構真實的材料特性、接觸參數(shù)選擇和焊接的處理等;

　　(2)如何模擬結構加工制造過程，如身管的預熱處理、成型加工引起的殘余應力等;

　　(3)現(xiàn)在能夠進行有限元分析的軟件很多，各有優(yōu)缺點，值得研究如何將各個軟件進一步完善，以及很好地解決與CAD的接口問題及軟件之間的數(shù)據(jù)共享;

　　(4)有限元分析離不開有效的試驗數(shù)據(jù)支持，由于經(jīng)費等多種原因，國內(nèi)兵器行業(yè)積累的原始數(shù)據(jù)還遠遠不足夠支撐有限元分析，希望有關部門能給予重視和支持。