某艦炮典型坡膛結(jié)構(gòu)的受力和內(nèi)彈道特性分析

彭松江，陳 亮，何 行，鄒利波

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

火炮坡膛連接藥室和線膛部分，是彈帶切入膛線的過渡區(qū)域，坡膛結(jié)構(gòu)尤其是坡膛坡度對火炮的膛內(nèi)受力特性、彈道特性至關(guān)重要，并且與使用壽命直接相關(guān)[1]。某新型高射速艦炮坡膛坡度較小，與傳統(tǒng)火炮差別較大，筆者著重研究小坡度坡膛情況下彈帶擠進(jìn)過程對膛內(nèi)運(yùn)動受力、彈道特性的影響，揭示其對總體性能的綜合貢獻(xiàn)。

1 某艦炮典型坡膛結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

線膛火炮的坡膛錐度一般在1/5～1/10[2-3]，坡度對應(yīng)為1/10～1/20范圍內(nèi)，膛線大約由其長度的2/3處開始。確定坡膛坡度時，應(yīng)考慮身管壽命、火炮威力等因素，坡度大小直接影響擠進(jìn)受力，對內(nèi)彈道過程將產(chǎn)生影響[4-6]。

某新型高射速艦炮坡膛坡度較小，僅為1/24.5，突破1/20的范圍，其彈藥采用了凸緣彈帶結(jié)構(gòu)，凸緣彈帶的主要作用是在啟動時，加大彈體的運(yùn)動強(qiáng)制量，提高其密閉火藥氣體的能力，減少對膛線起始部磨損的敏感性[7]。彈藥合膛局部情況如圖1所示。發(fā)射過程中底火擊發(fā)后，藥筒內(nèi)發(fā)射藥開始燃燒，壓力增大，彈丸克服拔彈力開始運(yùn)動；在行進(jìn)3.4 mm后自由行程結(jié)束，彈帶凸緣(82.5mm)接觸坡膛，并產(chǎn)生塑性變形；在火藥氣體作用下，彈丸繼續(xù)前進(jìn)至44.6 mm，彈帶開始擠入膛線；前進(jìn)81.6 mm后，第1條彈帶完全擠入線膛；前進(jìn)125.6 mm后，第2條彈帶完全擠進(jìn)線膛，擠進(jìn)過程結(jié)束。

坡膛區(qū)段內(nèi)彈帶擠進(jìn)過程是內(nèi)彈道的初始階段，現(xiàn)象非常復(fù)雜，涉及彈帶在快速變化的壓力作用下的塑性力學(xué)問題，且行程和時間非常短，難以用實驗準(zhǔn)確測量，因此該擠進(jìn)階段在經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)中進(jìn)行了簡化處理，并將其用于指導(dǎo)工程實踐[8]。工程上以25～40 MPa擠進(jìn)壓力作為內(nèi)彈道的啟動條件，該艦炮的內(nèi)彈道計算采用擠進(jìn)壓力為29.4 MPa作為計算的起始條件，簡化了彈丸克服拔彈力后再擠入膛線前這段運(yùn)動，而隨坡膛結(jié)構(gòu)引起的擠進(jìn)壓力變化完全無法在經(jīng)典內(nèi)彈道計算中細(xì)化反映。

2 坡膛坡度對擠進(jìn)壓力的影響研究

為研究不同坡膛錐度對彈丸擠進(jìn)受力的影響，采用有限元分析方法對不同坡膛錐度的擠進(jìn)過程進(jìn)行仿真分析，在相同的建模、載荷施加、邊界條件和網(wǎng)格屬性條件下，加載相同歷程和規(guī)律的壓力條件，分析對比彈丸在擠進(jìn)過程的運(yùn)動、受力特性。

2.1 有限元建模與加載

嚴(yán)格按照實物尺寸和對應(yīng)裝配關(guān)系，在Creo軟件中分別建立身管本體及內(nèi)膛曲線結(jié)構(gòu)、彈丸、彈帶及裝藥的實體模型。采用C3D8R六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元對模型進(jìn)行離散化，使用同炮鋼和黃銅材料性能接近的材料[9]分別賦予身管本體和彈帶模型參數(shù)中。劃分好的帶膛線的身管和彈丸的有限元模型如圖2所示。前、后彈帶和裝藥分別與彈體使用綁定(Tie)約束關(guān)系，使其固定在彈體上并忽略彈體的重力，身管綁定約束在炮尾上，但彈帶網(wǎng)格同膛線網(wǎng)格緊貼但不共用，通過interface面建立關(guān)系，如圖3所示。建立彈炮耦合動力學(xué)有限元模型后，加載相同歷程、相同規(guī)律、相同量值的壓力變化條件，利用ABAQUS/Explicit求解。

2.2 計算結(jié)果

為了對比不同坡膛錐度條件下，彈帶擠進(jìn)過程對彈丸彈體的受力影響，不改變藥室結(jié)構(gòu)，將坡膛起始點(diǎn)位置固定，改變坡膛錐度，分別建立不同坡膛錐度的炮身有限元模型進(jìn)行分析計算。受力仿真計算結(jié)果與坡膛坡度、長度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 前彈帶擠進(jìn)過程中受力仿真結(jié)果

不同坡膛結(jié)構(gòu)下的彈帶擠進(jìn)過程，彈體受力情況計算結(jié)果，如圖4～7所示，因篇幅限制，僅繪制部分典型工況的曲線。

2.3 仿真結(jié)果分析

同一計算環(huán)境下，仿真曲線顯示坡膛結(jié)構(gòu)對彈丸運(yùn)動的阻力均呈現(xiàn)“擠進(jìn)過程迅速增大、擠進(jìn)終了迅速減小、線膛區(qū)域趨于平穩(wěn)”的趨勢，對比分析不同坡度條件下的擠進(jìn)過程受力曲線，運(yùn)動、受力特性隨著坡膛坡度的減小呈現(xiàn)以下特征：

1)擠進(jìn)過程最大擠進(jìn)合力、最大剪切力、最大應(yīng)力明顯減小，彈體受力減小。

2)擠進(jìn)行程較長、擠進(jìn)時間較長，彈帶擠進(jìn)終了時的彈體運(yùn)動速度增大。

3)凸緣彈帶接觸坡膛壁時刻大多出現(xiàn)在0.5 ms左右，印證了凸緣彈帶有效提高擠進(jìn)初期的密閉能力、減小對坡膛變化的敏感性的作用。

3 坡膛坡度對內(nèi)彈道性能的影響

3.1 擠進(jìn)過程假設(shè)修訂

為了深入研究小坡度坡膛結(jié)構(gòu)對內(nèi)彈道特性的影響，對經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)的瞬時擠進(jìn)等基本假設(shè)進(jìn)行修訂，內(nèi)彈道求解引入擠進(jìn)過程，并將內(nèi)彈道歷程分3個區(qū)段，把拔彈力作為初始啟動條件，將彈帶擠進(jìn)過程消耗的能量考慮在內(nèi)進(jìn)行求解：

1)第1區(qū)段：啟動階段，從彈丸克服拔彈力到彈帶開始接觸坡膛。

2)第2區(qū)段：擠進(jìn)階段，從彈帶開始接觸坡膛到彈帶完全擠進(jìn)膛線。

3)第3區(qū)段：線膛運(yùn)動階段，從彈帶完全擠進(jìn)膛線到彈丸出炮口。

3.2 擠進(jìn)過程次要功參數(shù)選取

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論[10]，火藥燃?xì)鈱ν庾龉χ饕?個部分：彈丸直線運(yùn)動功E1，彈丸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功E2，彈丸運(yùn)動摩擦功E3，火藥氣體運(yùn)動功E4，后坐部分運(yùn)動功E5和彈帶擠進(jìn)及彈前空氣運(yùn)動消耗的能量E6.前5種與彈丸直線運(yùn)動成一定比例關(guān)系，忽略E6，引入次要功系數(shù),也稱虛擬質(zhì)量系數(shù)φ，即：

φ=1+K2+K3+K4+K5，

(1)

進(jìn)行內(nèi)彈道方程組求解，式中K2、K3、K4、K5分別是與E2、E3、E4、E5對應(yīng)做功系數(shù)[11]。

由于第1區(qū)段彈丸在軸向方向上僅受彈底火藥氣體壓力，沒有旋轉(zhuǎn)、摩擦和彈帶擠進(jìn)，次要功系數(shù)φ取1.

第2區(qū)段彈丸受到坡膛結(jié)構(gòu)對彈帶的擠壓阻力，彈帶受到膛線的擠壓作用開始帶動彈體做導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)動，受力過程極其復(fù)雜，在傳統(tǒng)次要功系數(shù)φ取值方法基礎(chǔ)上，對彈丸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功系數(shù)K2、彈丸運(yùn)動摩擦功系數(shù)K3的量值進(jìn)行系數(shù)修正，將擠進(jìn)過程損耗的功計算在內(nèi)。由于第2區(qū)段彈丸受力大于線膛期間的阻力，通過將原計算書的(K2+K3)乘以系數(shù)n，用n(K2+K3)來代替原參數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)坡度為24.56，n值為6.5時，新的內(nèi)彈道計算的炮口速度和最大膛壓值同實測相符。在坡膛不同的情況下，僅僅受到的擠壓力和摩擦不同的，在標(biāo)準(zhǔn)坡度24.56的取值情況下乘以修訂系數(shù)q，即用(K2+K3)nq進(jìn)一步來修訂做功系數(shù)(K2+K3)，坡膛1/24.56情況下擠進(jìn)過程中受到的最大擠進(jìn)合力為F，某種坡膛下擠進(jìn)過程中受到的最大擠壓合力為Fn,則q=Fn/F，根據(jù)該方法得到不同坡膛情況下修訂系數(shù)q值，如表2所示。

表2 不同坡膛錐度下的修訂系數(shù)

第3區(qū)段為彈丸完全在膛線內(nèi)運(yùn)動階段，采用傳統(tǒng)內(nèi)彈道方程計算，次要功系數(shù)φ取值方法與傳統(tǒng)方法相同即可。

3.3 內(nèi)彈道數(shù)值仿真結(jié)果與分析

通過表2中的修正值，重新計算不同坡膛情況下(正裝藥)彈丸炮口初速度、最大膛壓值以及對應(yīng)行程和時刻，如表3所示。

表3 不同坡膛錐度工況下內(nèi)彈道相關(guān)計算結(jié)果對比(正裝藥)

同時對比正裝藥條件下的P-t曲線、P-l曲線和v-t曲線，如圖8～10所示。

分析圖8～10的曲線圖，并結(jié)合圖4數(shù)據(jù)可以看出：

1)多條壓力曲線變化過程中，在3.8 ms處存在翻轉(zhuǎn)拐點(diǎn)；當(dāng)坡膛錐度較小時，擠進(jìn)阻力較大，擠進(jìn)速度上升較快、膛壓升高慢，拐點(diǎn)之后彈丸速度上升減緩，最大膛壓出現(xiàn)點(diǎn)和燃燒結(jié)束點(diǎn)延后，最大膛壓和炮口初速都相對稍低；反之，當(dāng)坡膛錐度增大時，由于擠進(jìn)阻力增大，擠進(jìn)速度上升較慢、膛壓升高較快，拐點(diǎn)之后彈丸速度上升加快，最大膛壓出現(xiàn)點(diǎn)和燃燒結(jié)束點(diǎn)提前，最大膛壓和炮口初速都相對有所提高。

2)相同初始條件下，身管坡膛在坡度1/24.56與1/10條件下相比，最大膛壓降低15%，初速降低3%，最大膛壓出現(xiàn)點(diǎn)后延，身管受力環(huán)境得到改善。

4 結(jié)束語

筆者通過修訂系數(shù)的方法將彈帶擠進(jìn)膛線的過程考慮在內(nèi)彈道計算過程中，依據(jù)該方法，分析了不同坡膛對內(nèi)彈道性能的影響，由此說明了某型高射速艦炮采用小坡度結(jié)構(gòu)設(shè)計具有合理性。該小坡膛設(shè)計在少量降低初速的同時，減小了坡膛擠進(jìn)合力，降低了最大膛壓，有利于減小坡膛磨損、改善彈炮受力狀態(tài)，是提高身管壽命的重要技術(shù)途徑。