某線膛火炮戰(zhàn)斗部發(fā)射強度數(shù)值模擬

徐赫陽，喬相信，郭克強，李文浩，彭琳茜

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

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某線膛火炮戰(zhàn)斗部發(fā)射強度數(shù)值模擬

徐赫陽，喬相信，郭克強，李文浩，彭琳茜

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

為研究某新型戰(zhàn)斗部的發(fā)射強度，采用LS-DYNA軟件建立戰(zhàn)斗部在膛內(nèi)運動模型，對該模型進(jìn)行了發(fā)射強度仿真和分析，得到了戰(zhàn)斗部在不同運動階段的應(yīng)力、應(yīng)變曲線。分析第一、第二臨界狀態(tài)時戰(zhàn)斗部的應(yīng)力、應(yīng)變值及相應(yīng)強度準(zhǔn)則，并進(jìn)行了實驗驗證，模擬結(jié)果與實彈實驗結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明，戰(zhàn)斗部實驗和數(shù)值模擬結(jié)果均滿足其強度條件，模擬數(shù)據(jù)可為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)和同類戰(zhàn)斗部強度分析提供參考。

彈藥工程；發(fā)射強度；數(shù)值模擬

彈丸在發(fā)射過程中沿炮膛運動，在多種復(fù)雜載荷的共同作用下，會使戰(zhàn)斗部殼體材料產(chǎn)生應(yīng)力和變形。如果戰(zhàn)斗部的變形超過其許用限度，會影響戰(zhàn)斗部在膛內(nèi)的正常運動，甚至造成彈體破裂、發(fā)生膛炸。為保證戰(zhàn)斗部發(fā)射的安全性，在戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計時均需要對其進(jìn)行強度分析。

前蘇聯(lián)學(xué)者曾提出一種確定彈帶壓力的方法，但由于不能直接計算而不被廣泛使用。布林克方法將彈體簡化為無限長厚壁圓筒[1]，能有效校核結(jié)構(gòu)相對簡單的圓柱部及定心部區(qū)域。國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究工作，并給出相關(guān)的工程近似公式。但由于戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和載荷的復(fù)雜性，且允許出現(xiàn)一定程度的塑性變形，使得彈丸強度分析大多停留在實彈射擊實驗的基礎(chǔ)上，常規(guī)方法無法很好的解答[2]。

本文借助有限元軟件對戰(zhàn)斗部膛內(nèi)運動過程進(jìn)行分析研究，校核其結(jié)構(gòu)強度，并進(jìn)行了實驗驗證，為該彈的改進(jìn)和研發(fā)提供參考。

1　載荷及失效分析[1]

1.1載荷分析

彈丸在發(fā)射過程中載荷主要有：火藥氣體壓力、彈帶壓力、導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力、慣性力、裝填物壓力、摩擦力、不均衡力等。其中火藥氣體壓力是最主要載荷，是推動彈丸在膛內(nèi)運動的主要因素，對于線膛炮所配用的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈，由于有彈帶的密封作用，火藥氣體幾乎完全作用在彈帶后部的彈尾部，對彈尾部的結(jié)構(gòu)強度有很大影響。其計算公式：

(1)

式中：P為炮膛壓力；φ為次要功系數(shù)；mω為發(fā)射藥質(zhì)量；m為彈丸質(zhì)量。

1.2臨界狀態(tài)

彈丸的發(fā)射過程將面臨三個危險臨界狀態(tài)。

第一臨界狀態(tài)，即彈帶完全嵌入身管膛線時。彈帶區(qū)在徑向壓力的作用下徑向壓縮變形，除彈帶區(qū)域，其它區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變值均較小。彈帶區(qū)變形如圖1所示。

圖1　第一臨界狀態(tài)彈體變形示意圖

第二臨界狀態(tài)，即膛內(nèi)壓力達(dá)到最大時。此時彈底壓力值、軸向過載達(dá)到峰值；彈底由于火藥氣體的作用產(chǎn)生凹陷變形，彈尾部和彈帶區(qū)產(chǎn)生徑向壓縮變形。在軸向慣性力作用下，彈丸頭部和圓柱部將產(chǎn)生軸向墩粗、徑向膨脹變形。彈體變形如圖2所示。

圖2　第二臨界狀態(tài)彈體變形示意圖

彈丸第三臨界狀態(tài)，即彈丸完全脫離炮口時。由于大部分載荷突然卸載，使彈體材料因彈性恢復(fù)而發(fā)生震顫。因此對于抗拉強度大大低于抗壓強度的脆性材料，必須考慮該狀態(tài)對彈體強度的影響。文中的殼體材料為35CrMnSiA鋼，有較好的韌性和抗拉性，故數(shù)值模擬時忽略該狀態(tài)對彈丸的影響。

1.3失效準(zhǔn)則

1)應(yīng)力準(zhǔn)則

強度條件為：σ<[σ0]

式中：σ為材料所受應(yīng)力；[σ0]為材料的許用應(yīng)力。

2)應(yīng)變準(zhǔn)則

強度條件為：2W*<[2W*]

式中：W*為材料的殘余變形量；[2W*]為允許的材料殘余變形量。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，彈體材料的殘余變形許用值如表1所示。

表1　彈體殘余變形許用量

2　數(shù)值模擬

2.1物理模型

戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由引信、頭螺、含能破片、彈丸殼體、推板、拋射藥、炸藥等組成?？紤]戰(zhàn)斗部零部件的高度軸對稱特性，實際計算時采用1/4模型，cm-g-μs單位制。

圖3　戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)和火炮身管模型

2.2數(shù)值模型[3]

戰(zhàn)斗部各零部件及火炮身管均采用Lagrange算法。在戰(zhàn)斗部擠進(jìn)過程中，身管材料變形量很小，可以忽略不計，將其簡化為剛性材料。參數(shù)分別為ρ=7.83g/cm3、E=210GPa、μ=0.3。

拋射藥和炸藥采用Elastic材料模型描述。彈丸引信、頭螺、含能破片殼體、含能材料、彈丸殼體和推板均采用Plastic-Kinematic材料模型，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

σy=[1+(ε/C)-q](σ0+βEεeff)

(2)

式中：ε為應(yīng)變率；εeff為有效塑性應(yīng)變；σ0、E、C為材料參數(shù)，表征材料敏感率特征。具體參數(shù)值見表2，未列出參數(shù)采用軟件自帶缺省值或忽略。

表2　各材料性能參數(shù)[4-5]

針對戰(zhàn)斗部的前后彈帶，考慮到其在隨彈丸一同擠進(jìn)身管膛線過程中會出現(xiàn)高強度、高應(yīng)變、高應(yīng)變率的特征，采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述。Johnson-Cook模型的基本公式為

(3)

表3　彈帶材料性能參數(shù)[4-5]

2.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖4和圖5分別給出了上彈帶完全擠進(jìn)膛線和膛內(nèi)壓力最大時刻的等效應(yīng)力分布云圖，由于篇幅所限，其它時刻的等效應(yīng)力云圖不再列出。

圖4　應(yīng)力分布(彈帶完全擠入)

圖5　應(yīng)力分布(膛壓最大)

從計算結(jié)果來看，隨著彈帶不斷擠進(jìn)膛線，膛線對彈帶的壓力不斷增大，彈帶凹槽區(qū)域的應(yīng)力隨之增大，應(yīng)力波由彈帶凹槽處向兩側(cè)傳播，當(dāng)上彈帶完全擠進(jìn)膛線時，最大應(yīng)力可達(dá)到1382MPa，出現(xiàn)在彈帶凹槽處頂端。與此同時，彈帶與彈體的塑性應(yīng)變也不斷增大，彈帶最大塑性應(yīng)變?yōu)?.284mm，出現(xiàn)在彈帶頂部。

1931年9月，但采爾如約來到南京的中研院，帶來民族學(xué)標(biāo)本134種，另外還有圖標(biāo)120幅、各族照片28幅。民族博物館建設(shè)，因經(jīng)費等各種原因耽擱下來，最終未能實現(xiàn)。為充分利用但采爾帶來的這些物品，蔡元培就專門指示在中研院辟出地方，設(shè)立了一個民族學(xué)標(biāo)本陳列室。遠(yuǎn)道而來的但采爾便留在中研院民族學(xué)組從事民族學(xué)研究。

隨著彈體的不斷運動，上、下彈帶全部進(jìn)入膛線，由擠壓彈帶而引起的徑向應(yīng)力開始減弱，彈丸加速度逐漸增大，由火藥推力引起的軸向慣性力開始占據(jù)主導(dǎo)，在2700～3000μs時間內(nèi)達(dá)到最大。彈丸頂部的含能破片及推板與彈體的接觸應(yīng)力不斷增加，含能破片區(qū)域有明顯的傳向彈底的應(yīng)力波，最大應(yīng)力為481MPa，出現(xiàn)在梅花形推板和彈體接觸區(qū)域。而彈體由于出現(xiàn)應(yīng)力集中點，最大應(yīng)力達(dá)到995MPa，除應(yīng)力集中點外其它主要受力部位應(yīng)力在400～600MPa之間，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈底靠近彈腔區(qū)域。

由于該戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為更精確分析殼體強度，了解各區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，在彈丸殼體壁厚突變和應(yīng)力集中處選取7個觀察點，如圖6所示，并提取發(fā)射過程中相應(yīng)單元的應(yīng)力、應(yīng)變時間歷程曲線，如圖7和圖8所示。

圖6　戰(zhàn)斗部殼體觀察點單元

圖7　應(yīng)力曲線

圖8　塑性應(yīng)變曲線

由圖7和圖8可以看出，900～1200μs彈丸上、下彈帶相繼擠進(jìn)膛線，面臨第一臨界狀態(tài)。彈帶凹槽中間處單元E應(yīng)力出現(xiàn)輕微波動，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強度(1275MPa)，未發(fā)生塑性變形。單元C、D應(yīng)力值出現(xiàn)劇烈波動，其峰值高于殼體材料屈服強度，分別出現(xiàn)了0.0178mm和0.0032mm的輕微變形。在彈丸實際加工過程中，各棱角處會采用工藝倒角以避免此類因應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致的變形，因此可以忽略其變形，即彈丸未發(fā)生變形。

2850μs時，膛壓值達(dá)到最大，面臨第二臨界狀態(tài)。殼體壁厚突變處單元A、B和彈底拐角及彈底中心處單元F、G的應(yīng)力值均隨彈丸軸向慣性力的增大而增大，并達(dá)到各自峰值，但以上單元的應(yīng)力峰值均低于其屈服強度，處于線彈性階段。

3　實驗驗證

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果正確性，進(jìn)行了彈丸強度實驗。彈丸配阻力引信，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　實驗彈丸

以339.7MPa膛壓，采用某型彈道炮進(jìn)行強裝藥試射，實驗射擊數(shù)量共2發(fā)。選定彈體上5個特殊位置，測量彈丸各位置發(fā)射前后的尺寸，結(jié)果如表4所示。

表4　射擊前后尺寸　mm

由表4可以看出，兩發(fā)彈丸在射擊前后各部位變形量均為0，即彈丸在射擊過程中殼體結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，與模擬仿真結(jié)果相吻合。

4　結(jié)論

(1)彈丸在膛內(nèi)運動過程中，第一臨界狀態(tài)時，由于并未對幾何模型進(jìn)行倒角，致使彈帶凹槽頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力達(dá)到1382MPa，超過材料屈服應(yīng)力1275MPa，排除該因素影響，彈丸各部位均未發(fā)生變形。第二臨界狀態(tài)時彈體最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈底及靠近彈腔附近區(qū)域，其最大應(yīng)力值為573MPa，小于屈服應(yīng)力，處于彈性變形階段。

(2)實驗結(jié)果表明彈體各部位均未發(fā)生塑性變形，模擬所得相關(guān)數(shù)據(jù)符合實際情況，證明該仿真模型較為合理，可以作為同類彈丸設(shè)計參考。

[1]魏惠之，朱鶴松，汪東暉，等.彈丸設(shè)計理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985：43-47.

[2]卜仕彪.復(fù)合增程榴彈第一臨界狀態(tài)動力學(xué)模型計算分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2006：4-11.

[3]李裕春，時黨勇.ANSYS10.0/LS-DYNA基礎(chǔ)理論與工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]米糧川，高樹滋，賴長纓.內(nèi)彈道擠進(jìn)過程仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012,32(1)：133-135.

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Numerical Simulation of Launching Intensity for Rifled Gun Warhead

XU Heyang，QIAO Xiangxin，GUO Keqiang，LI Wenhao，PENG Linxi

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

To study the launching intensity of a new warhead,LS-DYNA software is used to develop the motion model of warhead in the bore,using the software to make the launching intensity simulation and analysis for the model to get the stress and strain curve of warhead in the different stages of exercise,and to analyze the stress and strain data when the warhead is in the first and the second critical state and the corresponding value of the strength criterion,and to have a test.Simulation results with actual firing test results are basically consistent.The results show that the results of numerical simulation and experiment can meet the requirements of practical application,and the simulation data can provide reference for the structural improvement and the strength analysis of the same kind of warhead.

ammunition engineering；launching intensity；numerical simulation

2015-12-29

徐赫陽(1992—)，男，碩士研究生；通訊作者：喬相信(1959—)，男，教授，研究方向：彈藥工程與爆炸技術(shù)。

TJ430

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