單兵火箭發(fā)射筒前蓋破碎規(guī)律數(shù)值模擬*

曹蘇雅拉圖，王雨時(shí)，王 強(qiáng)，聞 泉，王乃耀

(1南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094;2九江45信箱，江西九江 332008)

0 引言

為提高作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性和效能，某些單兵火箭已淘汰專用發(fā)射具，以包裝筒兼作一次性發(fā)射筒。而為了進(jìn)一步縮短作戰(zhàn)準(zhǔn)備時(shí)間，要求不打開(kāi)包裝筒前蓋即可完成預(yù)定發(fā)射。這就存在在單兵火箭發(fā)射筒前蓋滿足密封性和勤務(wù)處理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，前蓋強(qiáng)度設(shè)計(jì)和預(yù)置破碎性設(shè)計(jì)與引信設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。此問(wèn)題解決不好，發(fā)射時(shí)包裝發(fā)射筒前蓋碎片通過(guò)引信進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入引信內(nèi)，很有可能會(huì)影響渦輪發(fā)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，使渦輪發(fā)電機(jī)供電異常或停止供電，導(dǎo)致引信瞎火。文獻(xiàn)[1]計(jì)算了火箭彈碰撞易碎蓋的全過(guò)程，得到了引信的應(yīng)力應(yīng)變以及易碎蓋碎片速度、位移曲線;文獻(xiàn)[2]對(duì)火箭彈沖破穿透密封蓋和燃?xì)饬鳑_擊密封蓋的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了密封蓋能沿預(yù)設(shè)撕裂線方向破裂，能夠滿足引信體的安全性和可靠性要求;文獻(xiàn)[3]在沖擊作用下對(duì)易碎式密封蓋進(jìn)行了數(shù)值仿真，掌握了密封蓋的破碎效果和性能。為了為某單兵火箭彈引信瞎火故障原因分析提供參考，采用仿真軟件LS-DYNA對(duì)發(fā)射筒前蓋發(fā)射時(shí)的破碎過(guò)程(即所謂的“開(kāi)蓋”)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。發(fā)射時(shí)可能造成前蓋片破碎的原因有兩種:一是在彈頭引信未撞擊前蓋前彈丸前方因彈丸運(yùn)動(dòng)形成的壓縮空氣壓力使前蓋破碎;二是彈丸出筒口時(shí)彈頭引信直接撞破前蓋。

文中針對(duì)這兩種情形進(jìn)行數(shù)值仿真，再與從靶場(chǎng)回收到的前蓋碎片比較。

1 彈前空氣壓力推破前蓋過(guò)程仿真

1.1 前蓋有限元模型

假設(shè)彈筒間密封圈有效，彈筒間無(wú)空氣流動(dòng)，此時(shí)彈丸前方空氣會(huì)被壓縮。

建模過(guò)程采用kg·m·s單位制。用三維實(shí)體顯式單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并采用映射劃分法。前蓋上、下表面環(huán)形預(yù)置槽外表面和邊界圓柱面上施加固定約束，約束其所有自由度。建立如圖1所示正反面有限元模型。

圖1 前蓋片正反面有限元模型

1.2 材料模型

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，將前蓋材料改性酚醛樹(shù)脂視為與應(yīng)變率相關(guān)的各向同性材料，用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”定義前蓋材料模型;改性酚醛樹(shù)脂仿真材料模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料模型主要參數(shù)[5]

1.3 載荷計(jì)算

完全氣體狀態(tài)方程為:PV=RT

式中:R為通用氣體常數(shù);T為空氣絕對(duì)溫度(K)。

假設(shè):a)發(fā)射時(shí)彈丸與發(fā)射筒間無(wú)空氣流動(dòng)，可從嚴(yán)視為密閉容器;b)不考慮筒內(nèi)氣體溫度變化;c)發(fā)射筒為剛體，短時(shí)間內(nèi)無(wú)變形;d)前蓋片初始應(yīng)力為零;e)前蓋內(nèi)表面均為平面。

采用三維軟件SOLIDWORKS建立模型可知，彈丸待發(fā)時(shí)在發(fā)射筒內(nèi)彈丸前方空氣初始體積為2584380 mm3，發(fā)射筒內(nèi)彈丸恰好與前蓋接觸時(shí)的空氣體積為404610 mm3(即壓縮后的體積)。

在恒溫條件下，由完全氣體狀態(tài)方程計(jì)算得發(fā)射筒內(nèi)壓力為:

前蓋受到的最大壓力為:

彈丸在筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間約8ms，前蓋上施加的壓力載荷如圖2所示。

對(duì)模型施加對(duì)稱約束、邊界約束和載荷，并設(shè)置求解時(shí)間等，導(dǎo)出k文件，再對(duì)k文件進(jìn)行修改。按照表1設(shè)置靶板材料模型參數(shù)。在ANSYIS/LS-DYNA求解器中求解，在LS-PREPOST中查看數(shù)值仿真結(jié)果。

1.4 仿真結(jié)果

在LS-PREPOST中觀察到前蓋在筒內(nèi)壓力下的變形過(guò)程如圖3所示。

圖2 前蓋片上施加的壓力載荷

圖3 彈丸發(fā)射時(shí)前蓋片在筒內(nèi)壓力下的變形過(guò)程

由圖3可見(jiàn)，如果彈筒密封圈有效，那么彈丸發(fā)射時(shí)在筒內(nèi)壓力作用下，前蓋雖有變形，但并未斷裂破壞。

前蓋在筒內(nèi)壓力下950μs時(shí)的等效應(yīng)力如圖4所示。

圖4 前蓋在筒內(nèi)壓力作用下950 μs時(shí)的等效應(yīng)力

由圖4知，前蓋在筒內(nèi)壓力作用過(guò)程中，其最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)均在預(yù)制槽周圍。

前蓋在彈丸前方空氣壓力作用下最外環(huán)形槽處被整體推破時(shí)的最小筒內(nèi)壓力可按剪切破壞由下式估算:

式中:τ為剪應(yīng)力，τ=(0.6 ～ 0.7)σb=24.96 ～29.12MPa;FS為前蓋受壓面上的力;P為筒內(nèi)壓力;D為前蓋受壓面直徑，D=950－0.5mm;h 為前蓋最薄處的剪切截面高度，h=10－0.1mm。

由上式計(jì)算得:

由計(jì)算結(jié)果得出，前蓋在密閉彈前空間氣體被推破時(shí)所受的筒內(nèi)壓力范圍為9.46×105～12.32×105Pa，故彈丸發(fā)射時(shí)彈丸前方空氣最大壓力5.44×105Pa不足以推破前蓋。

此外，通過(guò)仿真得到，在平均尺寸狀態(tài)下，前蓋在9×105Pa壓力作用下能變形但不發(fā)生剪切破壞，而1.3×106Pa壓力作用下能變形斷裂，其變形破壞過(guò)程如圖5所示。前蓋的破壞形狀均是四分之一碎片，且未產(chǎn)生微小碎片。

圖5 彈丸發(fā)射時(shí)前蓋片在筒內(nèi)壓力下的變形過(guò)程

2 彈丸出筒口時(shí)撞破前蓋過(guò)程仿真

2.1 彈丸與前蓋有限元模型

假設(shè)彈筒之間密封失效即有漏氣現(xiàn)象，發(fā)射時(shí)彈丸直接撞擊前蓋，不考慮空氣阻力。整個(gè)建模過(guò)程采用kg·m·s單位制。本模型中彈體與前蓋之間采用面－面侵蝕接觸算法。彈丸簡(jiǎn)化為引信體和彈體兩模塊。在不影響仿真結(jié)果情況下，引信體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為近似于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣凹槽，材料為壓塑料(FX505)。彈體結(jié)構(gòu)為空心圓柱體，材料為鋁合金(7A04)。前蓋材料為改性酚醛樹(shù)脂。

引信與前蓋初始間距設(shè)為5 mm，初始間距只是仿真工作過(guò)程參數(shù)，并不影響仿真結(jié)果。用三維實(shí)體顯式單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，采用映射網(wǎng)格劃分法。前蓋上、下表面環(huán)形預(yù)置槽外表面和邊界圓柱面上施加固定約束，約束其所有自由度。建立如圖6所示的彈丸和前蓋模型，建立如圖7所示的彈丸和前蓋網(wǎng)格模型。

圖6 彈丸和前蓋模型

圖7 彈丸和前蓋有限元模型

2.2 材料模型

在ANSYS/LS-DYNA中用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”定義彈體、引信體和前蓋材料模型;由文獻(xiàn)[4－7]，彈體7A04鋁合金、引信體FX505壓塑料與前蓋改性酚醛樹(shù)脂仿真材料模型的主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真材料模型主要參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

理論上彈丸和引信可與前蓋正碰，但實(shí)際上不可能完全正碰。因此對(duì)彈丸與引信以 0°、1°、2°和 5°著角碰擊前蓋進(jìn)行仿真。理論上前蓋預(yù)制溝槽是完全對(duì)稱的，并且深度均相同，但實(shí)際上不可能完全對(duì)稱或者深度完全相同。因此對(duì)前蓋預(yù)制溝槽不完全對(duì)稱和不同深度進(jìn)行了仿真。在LS-PREPOST中觀察到彈丸撞擊前蓋的作用過(guò)程。

1)著角θ=0°碰擊結(jié)果

彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，之后不斷被推開(kāi)，最后前蓋在最外邊的環(huán)形預(yù)置槽處整體被推破后產(chǎn)生4片四分之一(兩兩相連)的碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生一塊微小碎片(約2mm×1mm×1mm)，但該碎片并未通過(guò)引信渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入引信體內(nèi)。

2)著角θ=1°碰擊結(jié)果

仿真得到的彈丸以1°著角碰擊前蓋時(shí)前蓋的破壞過(guò)程如圖8所示。彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，產(chǎn)生2片兩兩相連(四分之一)碎片，4片按預(yù)制斷裂槽處破裂的單個(gè)碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生一塊微小碎片(約3mm×2mm×1mm)，但這一碎片也未進(jìn)入引信體內(nèi)。

圖8 彈丸以1°著角碰擊前蓋時(shí)前蓋的破壞過(guò)程

3)著角θ=2°碰擊結(jié)果

彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，產(chǎn)生1片兩兩相連的碎片，6片按預(yù)制斷裂槽處破裂的單個(gè)碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生一塊微小碎片(約3mm×2mm×1mm)，但這一碎片并未進(jìn)入引信體內(nèi)。

4)著角θ=5°碰擊結(jié)果

彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，產(chǎn)生3片兩兩相連的碎片，2片按預(yù)制斷裂槽處破裂的單個(gè)碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生2塊微小碎片(約2mm×2mm×1mm和2mm×2mm×1mm)，但這2塊碎片并未通過(guò)引信渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入引信體內(nèi)。

5)前蓋預(yù)制溝槽不對(duì)稱時(shí)的碰擊結(jié)果

仿真得到的預(yù)制溝槽不對(duì)稱時(shí)的前蓋破壞過(guò)程如圖9所示。彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，產(chǎn)生3片兩兩相連的碎片，2片按預(yù)制斷裂槽處破裂的單個(gè)碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生4塊微小碎片(約2mm×2mm×1mm)，但這4塊碎片并未通過(guò)引信渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入引信體內(nèi)。

圖9 預(yù)制溝槽不對(duì)稱時(shí)的前蓋破壞過(guò)程

6)前蓋預(yù)制溝槽深度不同時(shí)的碰擊結(jié)果

仿真得到的前蓋預(yù)制溝槽深度不同時(shí)的破壞過(guò)程圖可知，彈丸發(fā)射時(shí)前蓋被彈丸撞擊后由中心位置的預(yù)制槽處率先破裂，溝槽較深的部位比溝槽較淺的部位率先破裂，產(chǎn)生2片兩兩相連的碎片，4片按預(yù)制斷裂槽處斷裂的單個(gè)碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生3塊微小碎片(約2mm×2mm×1mm)，但這3塊碎片并未通過(guò)引信渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入引信體內(nèi)。

7)不同著角時(shí)的撞擊力大小

彈丸正碰前蓋時(shí)引信所受的反作用力如圖10所示。

由圖10可知，彈丸正碰前蓋時(shí)所受的最大反作用力為35.29 kN，前蓋對(duì)引信頭部的撞擊時(shí)間約為 100μs。

圖10 正碰前蓋對(duì)彈丸、引信系統(tǒng)的作用力

彈丸以不同著角撞擊前蓋時(shí)引信所受的最大反作用力如圖11所示。

由圖 11可知，著角為 0°、0.5°、1°、2°、3°、4°和 5°時(shí)引信所受的力分別為35.29 kN、35.37 kN、35.53 kN、36.77 kN、37.16 kN、34.49 kN 和 31.25 kN。引信所受的最大反作用力并不是在正碰時(shí)最大。著角為3°以下的撞擊力峰值約為3.6×104N。

圖11 不同著角撞擊前蓋時(shí)引信所受的最大反作用力

3 試驗(yàn)結(jié)果

從靶場(chǎng)回收到的前蓋碎片有三種:四分之一碎片(預(yù)制八分之一碎片兩兩相連)、按預(yù)制斷裂槽處斷裂形成的單個(gè)(八分之一)碎片、中心微小碎片(尺寸與仿真結(jié)果相近)，分別如圖12～圖16所示。

圖12 中心環(huán)形斷裂槽未斷裂的四分之一碎片

圖13 中心環(huán)形斷裂槽已斷裂的四分之一碎片

圖14 中心環(huán)形斷裂槽未斷裂的單個(gè)碎片

圖15 中心環(huán)形斷裂槽已斷裂的單個(gè)碎片

圖16 沿中心環(huán)形斷裂槽斷裂形成的前蓋中心微小碎片

回收到的前蓋碎片上未見(jiàn)有撞擊痕跡，與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)論

發(fā)射時(shí)彈丸前方空間因彈丸運(yùn)動(dòng)壓縮空氣所形成的最大筒內(nèi)壓力，并不會(huì)使前蓋發(fā)生破壞。當(dāng)彈丸頭部撞擊前蓋時(shí)，前蓋預(yù)制溝槽不完全對(duì)稱、深度不完全相同或著角不同時(shí)所產(chǎn)生的碎片形狀差異很大，但未見(jiàn)有明顯規(guī)律性，均是四分之一碎片或者八分之一碎片，中心環(huán)形槽處撞擊產(chǎn)生1～4塊微小碎片。這些微小碎片均未進(jìn)入引信頭部進(jìn)氣道內(nèi)，而是彈丸前方高壓氣體將其推離引信進(jìn)氣道，可以確認(rèn)引信瞎火原因不是前蓋碎片進(jìn)入引信中心通道內(nèi)影響渦輪發(fā)電機(jī)正常供電。前蓋若是被空氣推破則不會(huì)產(chǎn)生碎片。理論上彈丸前方壓縮空氣推破前蓋時(shí)其碎片應(yīng)是很均勻的，但從靶場(chǎng)上回收到的前蓋碎片未見(jiàn)其均勻性，因此可判定前蓋是被彈頭引信撞破的，而不是被空氣壓縮推破的。

[1]許壽彭，馬大為，樂(lè)貴高，等.某火箭炮易碎蓋瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26(1):418－420.

[2]蔡德詠，于存貴，馬大為，等.一種新型火箭炮復(fù)合材料密封蓋的數(shù)值仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(2):284－288.

[3]張中利，于存貴，馬大為，等.沖擊作用下易碎式密封蓋數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)分析[J].爆炸與沖擊，2008，28(1):62－66.

[4]LSTC.LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL(VOLUME I)[M].California:Livermore Software Technology Corporation，2007.

[5]機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè):工程材料卷[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[6]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè):第7卷 塑料 透明材料 絕緣材料[M].2版.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[7]《引信設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.引信設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1978.