彈丸擠進過程研究的概況

摘 要：通過搜集論文資料，對近二三十年彈丸擠進過程的研究進行比較、分析和總結(jié)。前人對彈丸擠進過程的研究使人們對擠進過程有了一定程度的了解，總的來說，目前國內(nèi)對這一領(lǐng)域的研究還處于初級階段，還需引入新的理論，如隨機內(nèi)彈道學(xué)和多相流內(nèi)彈道理論等，還需要更多學(xué)者的參與。

關(guān)鍵詞：彈丸 彈帶 擠進 應(yīng)力 應(yīng)變 ANSYS

中圖分類號：TJ012.1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0089-02

炮管內(nèi)的膛線包括凸出和凹下部分，彈丸略大于膛內(nèi)凸出部分所留的空間，彈丸受到膛線阻力的作用，所以擠進是緩慢的，當(dāng)此阻力達到最大時，彈丸完全擠進了膛線，這個過程就是擠進過程。彈丸在膛內(nèi)受到各種載荷的綜合作用，彈丸的強度不足，彈體各部分的變形過大時，不但影響彈丸在膛內(nèi)運動的正確性，在極端條件下，可能會引起膛炸事故，因此彈丸必須要有足夠的強度，但是，彈丸一次發(fā)射就使用完畢，彈丸強度的過度儲備，不僅沒有意義，而且會妨礙彈丸其他戰(zhàn)術(shù)技術(shù)的完滿實現(xiàn)，所以，精確分析彈丸擠進時的應(yīng)力、應(yīng)變、變形就非常重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究狀況

大多數(shù)學(xué)者研究過彈丸擠進過程的應(yīng)力、應(yīng)變及變形，少數(shù)學(xué)者也研究過彈丸擠進過程中彈底的壓力、所受阻力及振動，本文主要針對彈丸擠進過程應(yīng)力應(yīng)變方面的論文。文獻[1]用三維立體模型研究彈丸上膛線刻痕的形成過程、彈丸的變形和殘余應(yīng)力。文獻[2，3，5]對彈丸擠進槍管的應(yīng)力、應(yīng)變、變形及受力情況進行分析。文獻[4]對彈丸擠進過程中的變形和熱量分布進行了有限元分析。文獻[6]對計算結(jié)果進行了動態(tài)分析，得到了彈帶的變形和應(yīng)力的變化規(guī)律。文獻[7]分析計算了MC尼龍彈帶擠進坡膛過程中的應(yīng)力應(yīng)變及變形分布。文獻[8]分析彈帶、身管和膛線的應(yīng)力狀態(tài)及變化規(guī)律。文獻[9]研究彈丸的高速沖擊擠進過程。文獻[10]確定了彈帶區(qū)的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力及第四強度等效應(yīng)力場的分布規(guī)律。文獻[11]分析彈帶硬度分布與組織演變規(guī)律來探索其宏觀形變的細觀與微觀本質(zhì)。文獻[12]利用彈塑性有限元接觸理論對彈丸慣性卡膛過程進行了分析。文獻[13]對兩種不同結(jié)構(gòu)的坡膛條件下的彈帶擠進過程進行了計算。

除文獻[1]研究彈帶刻痕外，其他文獻都未考慮彈帶刻痕；文獻[2、7]中不考慮膛線，文獻[1、4]中膛線都是等齊的；文獻[1、3、4]都研究小口徑彈丸的擠進過程；在幾何模型方面，文獻[1、3、4、6、8、9、10、12、13]均建立了三維立體模型，文獻[2、5、7]建立的是二維模型，這并不能很全面地反映彈丸擠進的實際情況；在大變形方面，只有文獻[2、8、13]采取了Johnson-Cook模型理論，它充分考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等因素。文獻[7]采用塑性流動理論（增量理論）；在碰撞-接觸問題方面，文獻[1]采用動態(tài)接觸。文獻[4]采取自動接觸。文獻[8]采用自適應(yīng)接觸算法。文獻[2，3，13]采用罰函數(shù)法，這種方法可通過放大和縮小步長來調(diào)節(jié)計算過程中彈丸和槍管的穿透；在應(yīng)用的軟件方面，文獻[2、3、4、5、9]用的是ANSYS/DYNA分析軟件。文獻[1、6、12]用ABAQUS軟件。文獻[8]用MSC.DYTRAN軟件。文獻[10]用ADINA軟件；在擠進壓力方面，文獻[1]中擠進壓力是變化的。文獻[4]中擠進壓力是變化的，按壓力曲線施加力。文獻[3]中擠進過程是靜態(tài)的，擠進壓力為定值；在摩擦方面，文獻[1]采用罰函數(shù)摩擦。文獻[4]中采用庫倫摩擦模型；在網(wǎng)格劃分方面，文獻[1]中彈丸的外表面是擠進成形的關(guān)鍵部位，所以從其外表至里層0.6 mm深處進行網(wǎng)格的細化。文獻[2]中對彈丸進行映射網(wǎng)格劃分，對槍管做自由劃分。文獻[3]中彈丸用映射網(wǎng)格劃分，line劃分長度選0.2 cm，槍管的line劃分為0.4 cm。文獻[4]中鉛套采用自由網(wǎng)格劃分，內(nèi)部鋼芯的變形不大，所以采用了sweep劃分，彈頭殼在擠進時變形量較大，所以采用分部分劃分網(wǎng)格的方式，彈頭殼底部和中間的彈帶圓柱部采用sweep劃分，對槍管進行劃分時，先設(shè)置不同線的劃分份數(shù)，然后用sweep進行劃分，槍管內(nèi)壁的網(wǎng)格長度設(shè)為1 mm。文獻[5]只強調(diào)彈帶和身管接觸的地方相對其他地方要劃分得密一些。文獻[6]采用結(jié)構(gòu)劃分法或掃掠劃分法。文獻[8]強調(diào)從面的網(wǎng)格劃分應(yīng)密于主面。文獻[9]對三維模型圓筒采用局部區(qū)域細化的自由網(wǎng)格劃分法。以上13篇論文中大部分都是建立三維幾何模型來研究大口徑彈丸，并且考慮膛線，應(yīng)用非線性有限元軟件研究彈體和彈帶在擠進過程中的規(guī)律，大部分都以彈體或彈帶為研究對象，所以炮管均假設(shè)為剛體，并采用全自由度約束，默認為彈丸裝填到位。8篇論文對網(wǎng)格劃分情況作了說明，其中4篇論文對網(wǎng)格劃分作了詳細說明。少數(shù)論文采用大變形理論，彈炮耦合方式及摩擦模型。只有3篇論文對彈底所施加的彈底壓力作了說明，其中1篇彈底壓力是恒定的。

1.2 國外研究狀況

1976年，文獻[14]利用銷-盤摩擦磨損機進行了多種彈帶材料和身管高速摩擦實驗?；谄鋵嶒灁?shù)據(jù)推測，在火炮發(fā)射產(chǎn)生的高速摩擦下，彈帶的磨損機理可能是彈帶表面熔化進而其中一部分被去除。文獻[15]利用自制的實驗裝置研究了摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)，考察了不同材料和不銹鋼之間高速滑動摩擦?xí)r的摩擦學(xué)性能和熱行為。結(jié)果表明其與被測材料的物理學(xué)性能參數(shù)有密切關(guān)系。文獻[16]針對銅彈帶不能滿足現(xiàn)代大口徑火炮高負荷的要求，使用實彈射擊的方法考察了鎳、鈦以及碳纖維復(fù)合材料等三種新材料代替銅彈帶的可能性。文獻[17]建立了包括內(nèi)彈道參數(shù)、彈道熱物性參數(shù)以及彈帶/身管摩擦系數(shù)在內(nèi)的彈帶磨損模型。

國外學(xué)者認為彈丸的擠進過程實際是彈丸與身管摩擦的過程，應(yīng)該從摩擦學(xué)的角度研究彈丸的擠進過程。

2 研究擠進過程用到的理論和軟件

現(xiàn)在廣泛使用的燃燒定律存在明顯的缺陷，與實際情況出入很大，火藥的燃燒受很多隨機因素的影響，所以應(yīng)展開對火藥隨機燃燒定律的研究。目前研究人員所用的隨機模擬方法是蒙特卡洛[18]方法，用它研究各種隨機參量對初速、最大膛壓、初速或然誤差的影響。除兩相流內(nèi)彈道理論，美國又成功研發(fā)了多相流內(nèi)彈道模型，此模型成為彈道計算、分析和設(shè)計的有力工具。

文中所提的大部分論文都應(yīng)用了非線性有限性元軟件，它可以處理多場耦合問題，比如溫度場，應(yīng)力場，應(yīng)變場。它也善于處理沖擊問題中非線性、大變形的問題，實踐證明，它是十分有效的數(shù)值計算方法，可以克服常規(guī)計算方法的所遇到的困難，尤其對受力和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題均能的到滿意的近似解。近30年來，利用有限元軟件對實際工程方面的復(fù)雜問題進行數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種趨勢。

3 結(jié)語

對彈丸擠進過程的研究通常有三種方法：（1）實驗法；（2）解析法；（3）有限元數(shù)值模擬法。第一種方法，因為設(shè)計類似擠進過程的高加速擠進機械非常困難，所以實驗很難接近實際情況，實驗結(jié)果的誤差很大。第二種方法除了假設(shè)簡化物理模型外，為了使數(shù)值分析方法能進行下去，還必須對材料特性、破壞機制等做以簡化和限制，所以此方法有較大的局限性。第三種方法可以解決實際當(dāng)中的幾乎任何復(fù)雜問題，得到令人滿意的近似解，且解決問題的效率很高，大大縮減了人們設(shè)計與制造的周期。

人們對擠進壓力的物理意義還沒有取得一致的觀點，更沒有令人滿意的擠進壓力的計算方法。彈丸的擠進過程是帶有過盈的高速沖擊摩擦過程，我們可以從摩擦學(xué)的角度研究擠進過程。擠進過程的研究雖已有幾十年的歷史，得出的結(jié)論使人們對擠進過程加深了了解，但金志明等指出，我們對擠進過程的了解和研究還相當(dāng)粗淺?？偟膩碚f，國內(nèi)對這一領(lǐng)域的研究還處于起始階段，處于不系統(tǒng)的時期。到目前為止無論在國內(nèi)還是國外的彈道學(xué)文獻中都沒有形成擠進過程的完整理論，對擠進過程做深入細致的研究，需要更多的學(xué)者參與進來，需要引進新的內(nèi)彈道理論（如兩相流內(nèi)彈道理論、多相流內(nèi)彈道理論、隨機內(nèi)彈道學(xué)理論），新的數(shù)學(xué)方法。

參考文獻

[1]樊黎霞，何湘玥.彈丸擠進過程的有限元模擬與分析[J].兵工學(xué)報，2011，32（8）：964-969.

[2]楊斌，張越.模擬彈丸擠進過程的彈丸變形應(yīng)力[J].四川兵工學(xué)報，2011，32（9）：14-18.

[3]楊斌.單一材質(zhì)勻速運動彈丸擠進特性分析[D].南京理工大學(xué)，2012.

[4]韓文祥.彈丸擠進變形模擬問題研究[D].南京理工大學(xué)，2009.

[5]彭濤，王學(xué)軍，黃善文.基于ANSYS的彈帶擠進變形及應(yīng)力分析[J].艦船電子工程，2009，29（11）：156-158.

[6]許邵杰，陳雄，封曉斌.某型火炮彈帶擠進數(shù)值模擬與分析[J].四川兵工學(xué)報，2011，32（8）：15-17.

[7]顧文彬，趙有守，陶耀興.尼龍彈帶坡膛擠進過程中應(yīng)力應(yīng)變分析[J].彈道學(xué)報，1994（3）：6-13.

[8]孫河洋，馬吉勝，張高明，等.彈帶擠進過程動力學(xué)仿真[J].四川兵工學(xué)報，2008，29（5）：47-49.

[9]肖攀.高速沖擊擠進問題的動力學(xué)建模與瞬態(tài)有限元分析[D].南京理工大學(xué)，2003.

[10]寧俊生，高平.擠進過程中桿式彈材料的動應(yīng)力響應(yīng)[J].兵器材料科學(xué)與工程，1995，18（2）：40-45.

[11]殷軍輝，鄭堅，倪新華，等.彈丸膛內(nèi)運動過程中彈帶塑性變形的宏觀與微觀機理研究[J].兵工學(xué)報，2012，33（6）：677-681.

[12]李偉，馬吉勝，孫河洋，等.彈丸慣性卡膛沖擊問題動力學(xué)研究[J].振動與沖擊，2011，30（5）：162-163.

[13]孫河洋，馬吉勝，李偉，等.坡膛結(jié)構(gòu)變化對彈帶擠進過程影響的研究[J].振動與沖，2011，30（3）：31-33.

[14]Montgomery R S.Friction and Wear at High Sliding Speeds[J].Wear，1976（36）：275-298.

[15]Lesquois O，Serra J J，Kapsa P，et al.Degradations in a High-speed Sliding Contact in Transient Regime[J].Wear，1996（201）：163-170.

[16]Schupfer M，Steinhoff K.R?thlisberge.New Materials for large-ealiber rotating bands for high charges[c]//19th International Symposium of Ballistics.Interlaken，Switzer-land：[s.n.]，2001.

[17]Lisov M.Modeling wear mechanism of artillery projectiles rotating band using variable parameters of internal ballistic process[J].Scientific-Technical Review，2006，LVI，（2）：11-16.

[18]馮德成，翁春生.隨機內(nèi)彈道學(xué)研究綜述[J].彈道學(xué)報，2003，15（1）.