基于AUTODYN的壓縮空氣彈射內彈道研究

叢龍騰+姜超+魯霄光+劉晴+趙鑫

摘 要：以超近程防御武器系統(tǒng)壓縮空氣發(fā)射裝置為背景，利用流固耦合軟件AUYTODYN建立了不同空氣壓力、不同泄流面積、不同內彈道長度下的壓縮空氣彈射內彈道模型，通過對模型流固耦合數(shù)值仿真結果的分析，得到了彈藥速度與時間、彈藥速度與位移、彈藥速度與空氣壓力、彈藥加速度與時間的關系，并在此基礎上確定了發(fā)射裝置所用的壓縮氣體的體積與壓力以及發(fā)射管的內彈道長度。

關鍵詞：內彈道；壓縮空氣；彈射；流固耦合；AUTODY軟件

中圖分類號：TJ768 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0046-04

0 引 言

超近程防御武器系統(tǒng)是一種用于打擊距離被保護目標20～200m范圍內的末敏彈、子母彈等來襲彈藥武器系統(tǒng)。其采用的壓縮空氣彈射方式，避免了采用自力發(fā)射方式時彈藥推進劑燃燒引起燃氣射流沖擊問題，既不會產(chǎn)生較大的紅外特征，又提高了彈藥的初速與有效載荷，同時還滿足超近程防御作戰(zhàn)紅外特征小、反應速度快的要求[1]。

壓縮空氣彈射系統(tǒng)最早應用于魚雷的發(fā)射，二戰(zhàn)后隨著彈道導彈和超視距空空導彈的發(fā)展，逐漸應用于戰(zhàn)略導彈和中距空空導彈的發(fā)射[2]。目前，人們對壓縮空氣彈射系統(tǒng)的內彈道研究已經(jīng)取得了大量的研究成果，喬汝椿提出了采用壓縮空氣發(fā)射方式的魚雷發(fā)射裝置管內魚雷運動參數(shù)的估算方法[3]，許斌采用SIMULINK和ADAMS的聯(lián)合仿真，研究了機載導彈彈射式發(fā)射動力學行為[4]，廖振強建立了高壓氮氣驅動下彈射裝置的數(shù)學仿真模型，分析了導彈的分離參數(shù)和分離姿態(tài)[5]。

本文在前人研究的基礎上，以用于超近程防御系統(tǒng)的壓縮空氣發(fā)射裝置為應用背景，在炮口初速要求120m/s的條件下，利用AUTODYN軟件，建立壓縮空氣發(fā)射裝置內彈道模型，根據(jù)模型的數(shù)值仿真研究壓縮空氣壓力、發(fā)射裝置部分結構參數(shù)與彈丸彈射后初速的關系，為發(fā)射裝置進行結構設計提供依據(jù)。

1 發(fā)射裝置結構與內彈道模型

參考其他裝置，壓縮空氣發(fā)射裝置結構設計如圖1所示，該裝置采用電磁鐵閉鎖機構控制發(fā)射，其原理是：彈藥在閉鎖體的作用下緊貼壓縮氣瓶泄流口處的薄膜膜片，以此控制高壓氣體。在發(fā)射時，電磁鐵通電，銜鐵向左移動，手柄和閉鎖體失去銜鐵約束，向上運動，此時閉鎖體無法繼續(xù)約束彈藥，壓縮空氣沖破膜片，進入發(fā)射管的內彈道部分，推動彈藥運動。

考慮到平時維護以及重復使用的需要，將方案的使用過程設計為：發(fā)射管后部即為存儲壓縮空氣的空間，在平時不儲存壓縮空氣，進入戰(zhàn)備狀態(tài)時，先在泄流口處貼上薄膜膜片，然后裝填彈藥，使彈藥緊貼薄膜膜片，壓下手柄使閉鎖體緊貼彈藥，電磁鐵銜鐵壓住手柄，閉鎖力開始作用，彈藥受到約束。此時，開始對發(fā)射管后部壓縮空氣存儲區(qū)域充氣，充氣完畢后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

1.1 發(fā)射裝置內彈道模型相關參數(shù)的確定

在上述裝置基礎上，已知彈藥質量：4kg；炮口初速：120m/s；能量利用系數(shù)η：0.15；定容比熱容：717J/（kg·K）；發(fā)射閥節(jié)流后的空氣溫度：266K。則發(fā)射該彈藥所需的壓縮空氣質量按下式計算：

mB0=mTυ2Tc 100.1mm，則罐體長度L=78mm。

壓縮氣瓶尺寸數(shù)量級和大概尺寸范圍由此確定，該數(shù)據(jù)可作為AUTODYN中進行彈道估算的初始數(shù)據(jù)[6]。

1.2 分析內彈道性能影響的模型

為了驗證高壓空氣壓力對內彈道性能的影響，在AUTODYN軟件中建立模型1以驗證不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內彈道性能的影響[7]。為了驗證高壓氣瓶泄流面積對內彈道性能影響，在AUTODYN軟件中建立模型2以驗證不同泄流面積下的高壓空氣對炮口初速等內彈道性能的影響。

模型1的特點是考慮因素較多，除了要考慮在模型中填充空氣的壓縮，實際情況下高壓空氣由發(fā)射氣瓶通過口徑較小的通道流入發(fā)射管內彈道部分時的壓縮，還要考慮發(fā)射管與彈藥之間的摩擦。而模型2則主要考慮泄漏，相較簡單。

在模型簡化中，為了便于計算，將彈藥模型簡化為圓柱形，彈藥簡化后的狀況如圖2所示。=100.1mm。

不同的是在模型1的高壓空氣區(qū)域中在泄流直徑為20mm基礎上，分別填充進34MPa，35MPa，36 MPa的高壓空氣。而模型2在高壓空氣為35MPa基礎上，泄流直徑分別為20mm，24mm和28mm。

在彈管間隙問題上，由于壓縮空氣發(fā)射裝置和火炮、火箭炮等發(fā)射系統(tǒng)不同，在野戰(zhàn)條件下不存在由火箭發(fā)動機燃燒室高溫引起的彈體徑向彈性變形、炮管與彈藥之間存在溫度差、連續(xù)射擊過程中產(chǎn)生積碳等問題，因此能明顯影響壓縮空氣發(fā)射裝置彈管間隙的因素是彈藥幾何形狀誤差。彈藥幾何形狀誤差，主要受制于構成彈藥的各個部件的連接螺紋同心度以及彈藥各個構件的軸線彎曲[8]。并且在彈藥的各個構件中，戰(zhàn)斗部往往壁厚較大，剛度較大，不易產(chǎn)生幾何彎曲，而超近程防御武器系統(tǒng)采用壓縮空氣發(fā)射方式，彈藥上沒有火箭發(fā)動機或者其他薄壁結構，所以用于超近程防御武器系統(tǒng)的彈藥往往剛度較大，其彈管間隙的設定可明顯小于火箭炮等類武器的彈管間隙。通過比較相關武器的彈管間隙，將模型彈管間隙設定為0.1mm。

1.3 流固耦合模型的建立

由于涉及到流體與固體的相互作用，因此涉及到流固耦合，可以在AUTODYN軟件中實現(xiàn)這一過程。模型的建立過程：建立六個部件模型，分別是發(fā)射管模型、彈藥模型、發(fā)射管上邊界模型、發(fā)射管下邊界模型、泄流通道上邊界模型、泄流通道下邊界模型。建立的模型如圖3所示。

發(fā)射管模型由Euler單元建立，填充進空氣，在高壓空氣氣瓶區(qū)域填充進高壓空氣，在炮口設置出流邊界。彈藥模型由Lagrange單元建立，填充進與彈藥密度相同的材料。發(fā)射管上、下邊界模型由Lagrange單元建立，放置在發(fā)射管上邊界，在仿真過程中用于約束彈藥由于彈管間隙在+Y方向的運動。

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設定中，設置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設定中，Euler-Lagrange耦合設定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結果及分析

2.1 模型1的仿真結果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結果中提取的速度—位移關系

在分析上述結果基礎上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗模型，由于35MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內，因此軟件有一定可信度，并且在初步設計階段可以接受。

4 結 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關系，得到了如下結論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設定為800mm。

參考文獻：

[1]李廣裕.戰(zhàn)略導彈彈射技術的發(fā)展[J].國外導彈與航天運載器，1990（7）：38-49.

[2]任淼，王秀萍.國外空空導彈發(fā)展動態(tài)研究[J].航空兵器，2013（5）：12-17.

[3]喬汝春.輕型艦載魚雷發(fā)射裝置管內魚雷運動參數(shù)的估算法[J].魚雷技術，1999（3）：31-34.

[4]許斌，楊積東，劉廣，等.機載導彈彈射式發(fā)射建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2001，23（7）：51-54.

[5]廖振強，王濤，何大平，等.拋放彈彈射機構優(yōu)化設計[J].南京理工大學學報，2003，27（5）：573-577.

[6]石少卿，汪敏，孫波，等.AUTODYN工程動力分析及應用實例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[7]ANSYInc.，DocumentationforRelease12.1[Z].ANSY，Inc，2009.

[8]賈孟義.火箭彈與發(fā)射管最小彈管間隙的計算[J].兵工學報.彈箭分冊，1981（2）：81-92.

[9]劉玉磊.燃氣舵流固耦合傳熱數(shù)值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設定中，設置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設定中，Euler-Lagrange耦合設定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結果及分析

2.1 模型1的仿真結果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結果中提取的速度—位移關系

在分析上述結果基礎上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗模型，由于35MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內，因此軟件有一定可信度，并且在初步設計階段可以接受。

4 結 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關系，得到了如下結論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設定為800mm。

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[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設定中，設置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設定中，Euler-Lagrange耦合設定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結果及分析

2.1 模型1的仿真結果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結果中提取的速度—位移關系

在分析上述結果基礎上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗模型，由于35MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內，因此軟件有一定可信度，并且在初步設計階段可以接受。

4 結 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關系，得到了如下結論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設定為800mm。

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