為了加快武器裝備的發(fā)展,適應不斷變化的戰(zhàn)場環(huán)境,多種現代化設計手段伴隨著科技的進步應運而生,并在武器裝備設計中深入應用。作為武器系統(tǒng)論證、分析、設計的重要方法與手段,有限元分析基本貫穿了武器裝備設計的全過程。本書針對有限元在武器設計中的主要應用方向,結合具體案例進行了簡要梳理和闡述。本書介紹了有限元方法的歷史發(fā)展和分析流程;討論了武器系統(tǒng)所涉及的力學問題與有限元方法;介紹了有限元的前處理及網格劃分方法;結合實例,對靜/動態(tài)載荷下的武器結構強度校核、彈體空氣動力學、彈體高速侵徹、武器系統(tǒng)模態(tài)分析、爆炸效應分析中的有限元方法基礎知識和應用進行了系統(tǒng)講解。
本書可用于武器系統(tǒng)與工程本科專業(yè)的有限元應用教學,并可作為彈藥工程與爆炸技術安全工程等相關專業(yè)本科生和研究生的教學參考用書。
本書主要面向武器系統(tǒng)與工程專業(yè)的本科生,從系統(tǒng)上梳理和介紹武器系統(tǒng)設計所需的有限元分析方法以及相關的基礎理論知識和軟件工具;從前、后處理及求解器的整體性入手進行介紹,強調通用理論與應用實例的相結合,進行有限元分析方法介紹,涉及整個武器系統(tǒng)設計過程中的動/靜態(tài)載荷強度校核、氣動/水動力、系統(tǒng)模態(tài)、高速侵徹和爆炸效應等方面;以多個具有代表性的有限元分析方法與實例為基本支撐點,以點代面、深入淺出地引導相關實踐、介紹相關基礎理論及方法。
有限元分析(Finite Element
Analysis,FEA),是利用數學近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬和求解,是工程設計與研究中的重要方法和手段,在眾多現代化武器裝備設計中有著廣泛的應用,尤其在動/靜態(tài)載荷強度校核、氣動/水動力、系統(tǒng)模態(tài)、高速侵徹和爆炸效應等分析中較為常用,基本已貫穿了武器設計的全過程。
武器系統(tǒng)的效能是研制和使用該系統(tǒng)所追求的總目標,是規(guī)劃、研制和部署武器系統(tǒng)的基本依據,是評價武器系統(tǒng)優(yōu)劣的重要的綜合性能指標,是軍事運籌研究的出發(fā)點和歸宿。通過武器系統(tǒng)的效能分析,可以解決武器裝備建設和使用中的許多問題,如武器裝備(方案)的綜合性評估、武器裝備建設工程的優(yōu)化管理、武器裝備使用的決策分析等。系統(tǒng)效能是預期一個系統(tǒng)能夠滿足一組特定任務要求的程度的量度,是系統(tǒng)的可用性、可信性和能力的函數。
本書以面向武器系統(tǒng)與工程本科專業(yè)教學為主要特色,針對有限元在武器設計中的應用,結合具體案例進行了系統(tǒng)講解,以期為武器系統(tǒng)與工程本科專業(yè)的有限元應用教學活動提供有益幫助和支撐,并可應用于彈藥工程與爆炸技術安全工程等專業(yè)的本科教學。書中大部分插圖來自英文原始資料,編者對書中圖表進行了翻譯整理。本書既可以作為一本技術參考書,為行業(yè)內的科研人員提供必要的參考,也可以作為武器系統(tǒng)、有限元專業(yè)的學生學習武器學科知識的輔助材料。
由于時間緊迫,編者水平有限,書中可能存在疏漏和不足之處,歡迎讀者批評指正。
李曉峰,男,博士,就職于北京理工大學機電學院。長期在兵器技術系統(tǒng)領域從事侵徹力學、多剛體動力學和動態(tài)信號傳感與測試領域的教學科研工作,在仿真計算、材料性能、信號處理等領域發(fā)表多篇學術論文,授權專利8項,獲國防科技進步二等獎2項、三等獎1項。
第1章緒論
1.1復雜工程技術問題求解的一般過程與數值求解的特點
1.2有限元方法的發(fā)展歷史
1.3有限元的概念、基本思路及其分析的一般流程
第2章武器系統(tǒng)設計的特點與有限元分析方法
2.1現代化武器系統(tǒng)設計的特點
2.2武器系統(tǒng)設計所涉及的力學問題與有限元方法
第3章有限元分析前處理及網格劃分方法
3.1有限元分析前處理的重要性、作用及流程
3.2常用的計算網格類型及網格劃分方法
3.3常用的網格劃分軟件及TrueGrid網格劃分實例
3.4基于參數化的自動網格劃分技術與實例
第4章靜/動態(tài)載荷下的武器結構強度校核分析基礎理論與實例
4.1強度理論及線性本構關系
4.2靜/動態(tài)載荷作用下的強度校核基礎
4.3結構強度校核有限元分析方法與實例
第5章氣動力分析基礎理論與實例
5.1彈體飛行所關注的空氣動力學問題
5.2氣動力有限元分析基礎理論
5.3彈體飛行有限元分析方法與實例
第6章高速侵徹分析基礎理論、方法與實例
6.1LS-DYNA基礎
6.2彈體高速侵徹分析過程中所關注的內容
6.3高速侵徹分析基礎理論
6.4基于高速侵徹的有限元分析方法與實例
第7章武器系統(tǒng)模態(tài)分析基礎理論與實例
7.1結構振動動力學特性與模態(tài)分析的作用
7.2模態(tài)分析基礎理論
7.3武器系統(tǒng)模態(tài)分析方法與實例
第8章爆炸效應分析理論基礎、方法和實例
8.1武器系統(tǒng)設計中爆炸效應研究的相關內容
8.2炸藥狀態(tài)方程及流固耦合算法原理
8.3爆炸效應有限元分析方法與實例