空投彈藥箱的設(shè)計(jì)及其著陸過程數(shù)值分析

【裝備理論與裝備技術(shù)】

空投彈藥箱的設(shè)計(jì)及其著陸過程數(shù)值分析

陳揚(yáng)

(陸軍軍官學(xué)院，合肥230000)

摘要：針對駐在海島、高原等部隊(duì)彈藥補(bǔ)給通過一般物流方式難以到達(dá)的問題，設(shè)計(jì)出相適應(yīng)的空投彈藥箱，使用空投的方式對上述地區(qū)進(jìn)行物資補(bǔ)給，很好地解決了這一地區(qū)軍事物流難以解決的問題；運(yùn)用有限元分析方法，建立了彈藥箱有限元模型，分別借助動力學(xué)方程的顯式中心差分求解方法和對稱罰函數(shù)接觸算法，研究了彈藥箱著陸瞬間的沖擊動力學(xué)問題，初步獲得了彈藥箱著陸響應(yīng)，結(jié)果表明了空投彈藥箱著陸的可行性；研究成果能夠?yàn)閺椝幭浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)、空投物流緩沖包裝和高成本的空投物資試驗(yàn)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：軍事物流；彈藥箱；空投；有限元；LS-DYNA

收稿日期：2015-02-17

作者簡介：陳揚(yáng)(1990—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)檢測研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.012

中圖分類號：TJ410.89

文章編號：1006-0707(2015)06-0045-04

收稿日期：2014-12-25

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金(2013ZC12)

本文引用格式：陳揚(yáng).空投彈藥箱的設(shè)計(jì)及其著陸過程數(shù)值分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(6):45-47.

Citation format:CHEN Yang.Numerical Analysis of Design and Its Landing Airdrop Ammunition Box[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):45-47.

Numerical Analysis of Design and Its Landing Airdrop Ammunition Box

CHEN Yang

(Army Officer Academy, Hefei 230000, China)

Abstract:Based on the problem that the ammunition is difficult to be transferred to the troops stationed in the plateau, island and so on through the general logistics, suitable airdrop ammunition box was designed. Using air-drop way to supply this area is a good solution to the difficulty of military logistics in this area. Using the finite element analysis method, we established the finite element model of ammunition boxes respectively by means of explicit central difference method for solving the dynamic equation of the contact algorithm and symmetric penalty function, and studied the dynamics of impact ammunition box landing moment. We obtained the ammunition boxes landing response. The result shows the feasibility of the aerial ammunition box landing. Research results can provide a basis and guidance for the design and improvement of ammunition box structure, air cushion packaging and the high cost of air-drop supplies test.

Key words: military logistics; caisson; air-drop; finite element; LS-DYNA

著陸過程是空投彈藥箱的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到空投彈藥箱的安全性和可靠性。早期對于空投著陸過程的研究主要依賴于簡單的數(shù)學(xué)模型、經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，前者難以準(zhǔn)確的評估空投的安全性和計(jì)算著陸沖擊的參數(shù)、載荷，后者耗費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間，周期長，風(fēng)險(xiǎn)大。為此，本文采用計(jì)算仿真的方法，模擬彈藥箱著陸過程，通過獲得的動態(tài)響應(yīng)和直觀的應(yīng)力應(yīng)變情況為彈藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化建議，大大提高了效率并降低了風(fēng)險(xiǎn)和成本。

1空投彈藥箱的設(shè)計(jì)

1) 箱內(nèi)區(qū)域設(shè)計(jì)。大多數(shù)炮彈為藥筒分裝式，故彈藥箱內(nèi)主要需裝彈體、藥筒和引信3類。由于三者抗沖擊性能不同和安全性規(guī)定，故將它們在箱內(nèi)分區(qū)存放?？紤]到彈體的質(zhì)量較大，所以采取如圖1所示的區(qū)域分割。

圖1　彈藥箱區(qū)域分布圖

2) 各區(qū)域內(nèi)排布設(shè)計(jì)。箱內(nèi)彈體、藥筒區(qū)域內(nèi)的排布主要有水平和豎直2種放置形式，水平放置時(shí)彈體和藥筒層層鋪設(shè)，著陸時(shí)可能會由于沖擊力過大導(dǎo)致彈體和藥筒的固定支架變形損壞，所以采取在各自區(qū)域內(nèi)的豎直擺放，如圖2所示。引信質(zhì)量、體積相對較小，不需額外設(shè)計(jì)放置形式。

圖2　箱內(nèi)彈體、藥筒區(qū)域內(nèi)的排布

3) 載彈量的確定。 由于空投彈藥箱的特殊性，其載彈量的確定原則有別于普通彈藥運(yùn)輸箱，經(jīng)查證相關(guān)資料分析得出空投彈藥箱載彈量的基本依據(jù)：一次能空投單個(gè)或數(shù)個(gè)彈藥箱，可以為單炮或戰(zhàn)斗群補(bǔ)給彈藥，保證彈藥補(bǔ)給的靈活性；保證空投彈藥箱近似正方形，降低著陸傾覆事件的發(fā)生概率；彈藥消耗的一般規(guī)律。

綜上可得，空投彈藥箱的載彈量定為30發(fā)，按5×6式排布，算上引信區(qū)的排布，箱體正好近似為正方體。

4) 彈體、藥筒固定裝置和橡膠墊。為了防止彈體和藥筒在箱內(nèi)互相碰撞，箱內(nèi)安裝了固定彈體和藥筒的支架。同時(shí)為了避免著陸瞬間，彈體和藥筒與箱底的硬性接觸導(dǎo)致塑性變形，故各在底部加有緩沖橡膠墊，如圖3所示。空投彈藥箱實(shí)體模型如圖4所示。

圖3　固定裝置和橡膠墊

圖4　彈藥箱實(shí)體模型

2彈藥箱空投著陸過程

火炮彈藥箱空投主要依靠大型運(yùn)輸機(jī)將其送到目的地的上空，用牽引傘把空投彈藥箱拉出機(jī)艙，同時(shí)釋放引導(dǎo)傘，拉出主傘，使其充氣至滿，彈藥箱不斷減速減旋至平穩(wěn)下落，最終以6～8 m/s的速度著陸，著陸瞬間利用火工品把傘繩切斷，以免降落傘將彈藥箱拉翻，從而完成整個(gè)空投過程。在此，主要利用LS-DYNA瞬態(tài)動力學(xué)分析軟件，重點(diǎn)對傘繩被切斷后彈藥箱在不同工況下著陸碰撞過程進(jìn)行仿真。

3彈藥箱著陸有限元模型

彈藥箱著陸沖擊模型如圖5，主要包括箱體、炮彈(在箱體內(nèi))、氣囊和地面。為了降低仿真難度，減少計(jì)算時(shí)間又兼顧到著陸過程的特點(diǎn)和本文仿真的目的，特此作以下簡化和假設(shè)：彈藥箱著陸瞬間只有地面對其有沖擊力；氣囊與彈藥箱固連，不考慮之間接觸；地面可定義為雙線性彈塑性材料模型。該模型共179 316個(gè)單元，181 309個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型材料參數(shù)如表1所示。

圖5　彈藥箱著陸沖擊模型

彈性模量/MPa密度/(t·mm-3)屈服強(qiáng)度/MPa備注軟地面10003E-980彈體與引信2100007.85E-9—材料:鋼箱體與內(nèi)部固定架45001.8E-9100材料:合成材料藥筒30001.291E-9—材料:硬塑料橡膠墊20001.E-9—

4仿真測試

4.1仿真的計(jì)算方法和接觸算法

大多數(shù)非線性瞬態(tài)分析程序都是采用顯式時(shí)間積分來求解瞬態(tài)響應(yīng)問題的，其中顯式積分法采用的是中心差分法。計(jì)算流程如圖6所示。

圖6　計(jì)算流程

著陸過程中，彈藥箱與地面產(chǎn)生碰撞，在二者相接觸的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。在接觸碰撞界面的算法有很多，在此選用對稱罰函數(shù)法，處理方法為在每一個(gè)時(shí)問步中先檢查各從結(jié)點(diǎn)是否穿透主表面，主節(jié)點(diǎn)是否穿透從表面，沒有穿透則不作任何處理，否則在該節(jié)點(diǎn)與被穿透的主表面(或從表面)之間引入一個(gè)大小與穿透量及主表面剛度成正比的接觸力，相當(dāng)于在所有從結(jié)點(diǎn)和主表面之問布置一系列的法向界面彈簧。原理如圖7所示。

圖7　對稱罰函數(shù)接觸算法原理

4.2仿真分析

在無橫風(fēng)干擾下，彈藥箱以6 m/s的垂直速度著陸在軟地面上(彈模1 GPa),氣囊工作正常。圖8為彈藥箱著陸動畫模擬過程。從圖9中可知，箱體底部最大位移8.28 mm；固定支架最大位移8.6 mm；應(yīng)力分布圖中可以看出箱體和內(nèi)部隔板最大應(yīng)力45 MPa，箱體內(nèi)固定彈藥支架最大應(yīng)力58 MPa，都沒有超過屈服極限100 MPa；引信加速度峰值4.5 g。

綜上可得，箱體在整個(gè)空投著陸過程中最大應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，引信加速度過載也在安全范圍內(nèi)，理論上可以安全著陸。

圖8　彈藥箱著陸動畫模擬過程

圖9　仿真動態(tài)響應(yīng)

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出一種空投彈藥箱并對其空投著陸過程進(jìn)行仿真分析，初步得到了其著陸過程的動力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明空投彈藥箱可以安全著陸。該空投彈藥箱的設(shè)計(jì)與運(yùn)用可以很好地解決駐在海島、高原等部隊(duì)彈藥補(bǔ)給通過一般物流方式難以到達(dá)的問題，對這一地區(qū)其他的物資補(bǔ)給的物流過程也有很好的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯周江川)