V型刻槽菱形预控破片战斗部壳体破裂及飞散仿真----LS-DYNA中ALE、S-ALE两种常规流固耦合方法的用法与区别

V型刻槽菱形预控破片战斗部壳体破裂及飞散仿真

----LS-DYNA中ALE、S-ALE两种常规流固耦合方法的用法与区别

    破片战斗部在现代武器系统中占据着至关重要的地位，其主要任务是通过爆炸后产生的高速破片对目标进行有效毁伤。根据生成方式和结构的不同，破片战斗部可分为自然破片、预控破片（半预制）以及预制破片等类型。其中，预控破片相较自然破片具有大小、形状、飞散分布可控的优势，相较预制破片具有炸药损失能量少、破片速度提升的优点，因此成为应用最为广泛的类型之一。

    在预控破片中，刻槽技术是一种常用的手段，通过在战斗部内、外壳或装药中刻槽来控制破片的形成和飞散方向。刻槽的形式多样，通常分为内刻槽、外刻槽及双向刻槽。破片的大小、形状和数量由刻槽的多少和位置进行控制，刻槽形状有V型、方形和锯齿形等，刻槽所形成破片形状也有矩形、菱形、六边形等，总之预控破片通过刻槽实现了更为均匀和致命的破片分布，成为破片战斗部设计中的重要研究方向。

    在LS-DYNA中，相较基于时空守恒元/解元方法、主要用于处理强非线性和复杂波动流体力学问题，如爆轰波、超音速流动、湍流模拟的CESE方法，以及改进的、加入多相流及凝聚态炸药爆炸的双网格DUALCESE方法，ALE和S-ALE算法是两种比较传统、常规且基础的流固耦合方法，需初学者重点掌握！ALE方法结合了Lagrangian和Eulerian描述方法的优点，可灵活处理复杂的流固耦合问题，通过允许网格变形并随物质流动调整，适用于大变形和复杂交互场景。作为基于其改进的S-ALE方法通过简化处理步骤、优化计算方法，减少了对计算资源的需求，并提供了更高的计算效率，使其在处理如爆炸冲击波与结构相互作用等大规模、复杂工程问题时更加高效和实用。

    本文以V型刻槽菱形预控破片战斗部为仿真对象，分别采用ALE算法和S-ALE算法对其壳体破裂及飞散分布进行了数值模拟，并通过分析破片飞散速度、壳体破裂情况、破片连片与否等结果参量，对比了两种常规流固耦合算法的计算效率、K文件占用内存大小、计算结果真实性等问题。两种流固耦合方法的对比使用可为初学者对比学习提供指导、便于掌握，且可为预控破片战斗部仿真分析奠定技术基础。

    对于V型刻槽菱形预控破片战斗部壳体破裂及飞散的仿真难点主要有以下三点：

1. V型刻槽菱形预控破片的建模稍复杂。建模时需掌握圆柱外螺旋线切割、实体高度等问题，网格划分需面对小刻槽网格、未刻槽部分与刻槽部分共节点连接、高质量六面体网格生成等问题。
2. 两种流固耦合方法不易熟练掌握使用。尽管ALE和S-ALE方法比较基础，但涉及关键字较多，尤其是S-ALE，涉及到网格和材料分开设置、且具有特定的流固耦合、边界条件设置等关键字。
3. 壳体断裂不易控制，易造成破片连片、速度不达标等结果。仿真角度讲涉及高压流体泄露问题处理、壳体材料失效断裂等设置，研究角度又受刻槽深度、壳体厚度、炸药类型及质量等多种因素影响。

付费文件包括：两种耦合方法仿真的K文件和包含SpaceClaim建模、HyperMesh网格划分、含体积填充的ALE、全S-ALE关键字的流固耦合流程及方法、两种方法的对比总结等内容的技术文档1个，为PPT格式，共53页幻灯片。并附有联系方式，方便针对本内容进行联系答疑。

    文档收获：V型刻槽菱形预控破片战斗部的建模及网格划分、含体积填充的ALE方法学习、全S-ALE关键字的流固耦合流程及方法等。

采用相同网格尺度、相同材料模型和参数、相同药量和壳体的前提下，仅流固耦合方法不同，结果如下：

一、K文件占用内存大小：ALE内存占用228MB，S-ALE内存只占用19.5MB，内存占用缩小了十倍之多，对于前后处理、求解的读入读出和操作修改效率大大提升。

二、求解时长：采用48核MMP求解器进行求解，ALE求解时长12min，S-ALE求解时长21min，看来并不如官方描述那样S-ALE比常规ALE求解器需要更少的模拟时间，反而时间增加了，但S-ALE的流固耦合效果、壳体破裂结果要比ALE计算的明显好很多。

三、壳体破裂及破片飞散速度：

1. ALE结果：壳体轴向存在大量连片破片，未按预定刻槽破裂；所选位置破片速度峰值1315m/s。
2. S-ALE结果：壳体轴向、径向均完成破裂分开，几部不存在连片现象，按预定的刻槽位置破裂分散；所选位置破片速度峰值1472m/s，破片速度提升11.9%。

（a）ALE

（b）S-ALE

四、小结：得益于S-ALE的自动泄漏检测和控制，其具有更好的流固耦合效果，且具有更干净、更容易的输入，K文件内存占用大大降低。尽管计算时长稍有增加，是因为更好的泄露控制，但这是建立在以良好耦合效果和准确计算结果基础上的，因此S-ALE相较ALE方法在流固耦合的问题处理中具有明显优势。

五、视频结果展示：

1. ALE

    2.S-ALE