某型突擊車炮塔區(qū)域內(nèi)膛口流場數(shù)值模擬分析

韓小平，趙富全，張嚴嚴，郝 剛

（1.裝甲兵工程學院兵器工程系，北京 100072；2.總裝備部通用裝備保障部，北京 100720）

某型突擊車炮塔區(qū)域內(nèi)膛口流場數(shù)值模擬分析

韓小平1，趙富全1，張嚴嚴1，郝 剛2

（1.裝甲兵工程學院兵器工程系，北京 100072；2.總裝備部通用裝備保障部，北京 100720）

針對某型突擊車進行實彈射擊后炮塔出現(xiàn)層裂現(xiàn)象，應用計算流體力學原理，采用動態(tài)層法動網(wǎng)格原理，建立包含炮塔區(qū)域在內(nèi)的膛口流場數(shù)值模擬模型，通過與試驗結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模擬模型的可靠性，在此基礎下，進一步計算分析得到膛口沖擊波對炮塔前裝甲板的作用時刻與力值；并以該結(jié)果作為輸入，應用有限元分析方法得到炮塔的瞬態(tài)應力。結(jié)果表明，炮塔出現(xiàn)最大應力位置與實際炮塔發(fā)生層裂位置一致，膛口沖擊波對炮塔的沖擊作用是某型突擊車炮塔發(fā)生層裂現(xiàn)象的主要因素之一，為后續(xù)綜合分析炮塔發(fā)生層裂提供一定參考和數(shù)據(jù)支撐。

突擊車；炮塔；膛口流場；數(shù)值模擬

隨著我軍坦克不斷發(fā)展，武器系統(tǒng)的整體戰(zhàn)斗性能不斷提高，火藥氣體后效期形成的膛口沖擊波帶來的危害越來越大，制約著坦克炮綜合性能的進一步提高。膛口流場為非定常、多項流動、湍流，并具有化學反應的復雜流場，伴隨沖擊波射流而產(chǎn)生的有害擾動有強激波、沖擊波、電磁輻射、煙焰，大口徑火炮和高性能高速武器產(chǎn)生的膛口流場的有害擾動是極其強烈的。彈丸出膛后，膛口流場對彈丸的運動依然有影響，同時膛口流場的不斷擴大和變化對炮塔及周邊環(huán)境存在瞬間強烈的沖擊作用，該沖擊對火炮以及周邊人員的安全有著一定影響，特別是加裝炮口制退器以后，使膛口流場的負面影響大大加強。南京理工大學、中北大學等科研院所，對不同炮口制退器產(chǎn)生的膛口沖擊波炮口區(qū)域內(nèi)流場的變化規(guī)律進行了細致研究，然而膛口沖擊波對炮塔及周邊環(huán)境影響逐漸凸顯［1］，某型突擊車在進行一定射擊訓練后，炮塔本體產(chǎn)生層裂現(xiàn)象較為普遍，這是包括炮口沖擊波在內(nèi)的多種因素共同作用的結(jié)果，需要進一步系統(tǒng)分析。筆者利用CFD技術(shù)對該型突擊車炮塔前方區(qū)域進行膛口沖擊波流場進行數(shù)值模擬分析，進而對炮塔前裝甲板所受沖擊波的影響進行定量分析，為下一步深入研究炮塔發(fā)生層裂原因提供理論支持。

1 數(shù)值計算方法

火炮膛口流場的復雜性決定了對其進行仿真研究需要一定程度的簡化，筆者忽略火藥氣體多組分和化學反應的影響，采用無粘兩維軸對稱非定常Euler方程描述氣體流動，其控制方程［2］為

式中：ρ、p分別為流體的密度和壓強；u、v為x、y方向的速度分量；e為單位體積內(nèi)流體的總能，包括內(nèi)能和動能，當氣體為理想氣體時，e=p／（γ－1）+ ρ（u2+v2）／2，γ為火藥燃氣比熱比。

在含有運動彈丸的網(wǎng)格運動條件下，計算流場內(nèi)控制體發(fā)生改變，控制方程表示為

式中：V為運動區(qū)控制體；ρ為流體密度；?V為運動區(qū)控制體邊界；φ為通用變量；ul為流體速度；ug為運動網(wǎng)格速度矢量；Sφ為φ的源項；A為面積。

2 動網(wǎng)格邊界生成

由于膛口外流場耦合有運動彈丸，所以彈丸運動過程中，彈丸周圍的網(wǎng)格需要重新劃分，在CFD中可以通過彈性光順法、動態(tài)層法和局部網(wǎng)格重構(gòu)3種動網(wǎng)格技術(shù)來處理網(wǎng)格重構(gòu)問題［35］。對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而言，需要同時采用彈簧光順法和網(wǎng)格重構(gòu)法在運動邊界周圍進行網(wǎng)格重劃分，這種方法使用范圍較廣，操作簡單，但重劃分的網(wǎng)格質(zhì)量差。而動態(tài)層法適用于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其網(wǎng)格重構(gòu)的原理如圖1所示。

使用動態(tài)層法新生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高，計算效率高且容易收斂。在使用動態(tài)層動網(wǎng)格時，需要先定義網(wǎng)格基礎高度hi、網(wǎng)格消亡參數(shù)cc、網(wǎng)格分割參數(shù)cs。當運動邊界按照圖2所示方向運動時，第i層網(wǎng)格高度被壓縮而逐漸減小，當h滿足條件h＜cchi時，第i、j層網(wǎng)格合并成為一層新的網(wǎng)格；當運動邊界按照反方向運動時，第i層網(wǎng)格由于拉伸作用導致高度逐漸增加，當h滿足條件h＞（1+cs）hi時，第i層網(wǎng)格將分裂成為兩層新的網(wǎng)格。本文取hi=12，cs=0.5，cc=0.5。

采用9 m×3 m的計算區(qū)域，炮口制退器距離炮塔前裝甲板4.5 m，在水平方向上根據(jù)火炮對稱性，將計算域化為實際外流場的二分之一，同時該炮安裝有炮口制退器，炮口制退器結(jié)構(gòu)復雜，氣體參數(shù)在此處梯度較大，收斂難度大，為提高計算效率保證計算收斂，筆者在CFD前處理軟件ICEM14.0中通過網(wǎng)格拼接技術(shù)建立了炮口外流場結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖2為外流場的二分之一模型，圖3為拼接后炮口制退器附近劃分的網(wǎng)格。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 膛口流場對炮塔的作用

定義遠場邊界條件為壓力出口，其值為標準大氣壓，由于入口邊界條件是非定常的，所以需要通過編寫UDF函數(shù)來自定義。彈丸到達炮口時的壓力、速度、溫度由內(nèi)彈道計算可知，三者均為以時間為自變量的函數(shù)，以此定義壓力入口邊界條件［6］。設置計算時間步長為1μs，圖4為炮口流場計算曲線圖與高速攝像機采集到的實彈射擊時現(xiàn)場結(jié)果對比圖。從圖4中可以看出，利用動網(wǎng)格和UDF文件能夠有效方便地模擬彈丸運動，在彈丸飛離制退器前，火藥氣體從制退器側(cè)孔高速噴出，制退器側(cè)面氣體受到高速火藥氣體的擠壓，制退器附近外界氣體速度迅速提高，同時氣體壓力上升，形成側(cè)面沖擊波，側(cè)面沖擊波以側(cè)孔為圓心向外界擴展。當彈丸飛離制退器后，部分火藥氣體從制退器前部流出，形成主射流，在此過程中馬赫盤產(chǎn)生，馬赫盤逐漸擴大然后消失。

在某次實彈射擊過程中，用高速攝像機采集到了彈丸出炮口一段時間內(nèi)的圖像，通過對圖像進行分析，得到了各個時刻炮口附近的沖擊波情況，如圖5所示。從圖4和圖5對比結(jié)果來看，仿真模擬與實彈射擊時反映出來的炮口聲光特性具有較高一致性，圖5（b）白色圓圈標注區(qū)域內(nèi)景象明顯變形扭曲，在攝像中整個區(qū)域向左運動，并壓縮左側(cè)空氣，與圖5（a）仿真中波陣面的傳播規(guī)律相一致。

為了計算膛口沖擊波對炮塔的影響，在炮塔前側(cè)取一監(jiān)測點犃，如圖2所示，圖6為將不同時刻犃點所受壓力進行擬合得到的壓力曲線。從圖6可以看出膛口沖擊波在彈丸出炮口約10.5 ms到達前裝甲板，隨后迅速增大，約12.5 ms時達到最大值，約為0.15 MPa，隨著火藥燃燒量的減少，從炮口制退器溢出而補充到后方的氣體越來越少，導致沖擊波對炮塔的沖擊力減小。

3.2 炮塔的應力分析

相對于炮口與炮塔前裝甲板之間的空間，炮塔前裝甲板平面較小，為了便于計算作出一定假設，近似將前裝甲板看作為一個垂直于身管軸線的平面，炮塔前裝甲板所受膛口流場的作用為均布載荷，忽略防盾在受到?jīng)_擊力下對炮塔的影響。利用ANSYS編寫APDL命令流，施加沖擊波載荷，得到的炮塔應力云圖如圖7所示。從圖7可以看出，炮塔裝甲板受到?jīng)_擊力時炮塔最大應力出現(xiàn)在左前側(cè)和右前側(cè)裝甲板內(nèi)，最大應力與最小應力相差100個數(shù)量級。計算所得炮塔左前側(cè)和右前側(cè)底部出現(xiàn)最大應力位置與實際炮塔出現(xiàn)層裂位置相一致。

4 結(jié)論

通過對某型突擊車炮塔區(qū)域進行膛口流場數(shù)值模擬仿真，仿真結(jié)果展現(xiàn)了發(fā)射過程中膛口流場的產(chǎn)生、發(fā)展以及與彈丸和炮塔的相互作用關(guān)系，整個過程與實彈射擊試驗完全吻合，通過對仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)膛口流場對炮塔前裝甲板的瞬時超壓值高達0.15 MPa，在其作用下，炮塔內(nèi)部應力分布不均，并在左前側(cè)和右前側(cè)裝甲板內(nèi)部出現(xiàn)最大應力，這與實際炮塔出現(xiàn)裂紋處存在一定的吻合，充分說明了膛口流場為裂紋的產(chǎn)生作出了一定貢獻，為下一步綜合考慮火炮后坐力、膛口流場、炮塔結(jié)構(gòu)以及材料因素造成炮塔發(fā)生層裂現(xiàn)象的研究提供理論參考。

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Muzzle Flow Field Simulation of Assault Vehiele in Turret Areas

HAN Xiaoping1，ZHAO Fuquan1，ZHANG Yanyan1，HAO Gang2
（1.Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.General Armament Department，General Equipment Support Department，Beijing 100720，China）

assault vehicle；turret；muzzle flow field；numeral simulation

TJ43.62

A

1673-6524（2015）04-0005-04

2015- 03- 30；

2015- 06- 07

韓小平（1982－），男，碩士，主要從事車載武器測試與仿真技術(shù)研究。E-mail：hanxiaoping_1982＠163.com

Abstraet：In order to study the problem that the turret is flawed after the firing practice，the theory of computational fluid mechanics is applied.By using dynamic layer-based dynamic mesh method，the muzzle flow field numerical simulation model including the turret areas is established.The reliability of the numerical simulation model can be proven through the comparison of the simulation results and test results.Based on this，with further analysis through calculation，the action time and force that muzzle flow field attacks the front armor of turret can be worked out.The results can be used to put into the finite element model as an input for the availability of the transient stress of the turret.The experiment results show that the position of max stress of turret is the same as that of the turret flaws，and the function of muzzle shock wave is a very important factor in the phenomenon of the turret being flawed，which gives some reference and data support for the subsequent analysis of the reason for turret flawing.