彈丸彈托結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響研究

高碧祥，楊 臻，吳 臣（.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 03005；.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 407）

彈丸彈托結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響研究

高碧祥1，楊 臻1，吳 臣2
（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207）

為了研究某滑膛武器彈丸彈托的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及摩擦系數(shù)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，分別以彈丸彈托的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及摩擦系數(shù)作為單一變量，利用Ansys-workbench有限元軟件分別對(duì)其擠進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，得到擠進(jìn)阻力的變化，進(jìn)而分析該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，從而為該滑膛武器彈丸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，也為同類武器的彈托設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

擠進(jìn)過程，擠進(jìn)阻力，結(jié)構(gòu)參數(shù)，有限元分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

在彈底壓力的作用下，彈帶略大于身管內(nèi)膛的彈丸會(huì)逐步擠入身管內(nèi)膛，逐步形成于膛線相吻合的溝槽的過程被稱為彈丸擠進(jìn)過程［1］。在此運(yùn)動(dòng)過程中，彈丸彈帶會(huì)產(chǎn)生塑性變形，其阻力會(huì)逐步增大，當(dāng)彈丸完全擠進(jìn)身管膛線后，該阻力達(dá)到最大值。

文獻(xiàn)［2］在基于Abaqus的基礎(chǔ)上對(duì)鉛芯彈丸擠進(jìn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析彈丸在擠進(jìn)結(jié)束后的變形情況和殘余應(yīng)力；文獻(xiàn)［3］采用abaqus軟件對(duì)某覆銅被甲槍彈的擠進(jìn)過程進(jìn)行仿真模擬，分析彈帶壓痕處節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性。

本文以某滑膛武器擠進(jìn)過程為研究對(duì)象，分別以彈托結(jié)構(gòu)及彈膛擠進(jìn)錐角作為單一變量，采用Ansys-workbench有限元軟件進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，探究該武器的彈丸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其擠進(jìn)阻力的影響，為優(yōu)化武器結(jié)構(gòu)提供必要的理論依據(jù)。

1 擠進(jìn)過程理論分析

彈丸擠進(jìn)過程是復(fù)雜的塑形和彈性變形的過程，擠進(jìn)過程的數(shù)學(xué)模型建立大多是基于經(jīng)驗(yàn)結(jié)論的數(shù)學(xué)修正模型。彈丸擠進(jìn)過程所受到的阻力是由彈帶產(chǎn)生塑形變形、彈帶與膛面的摩擦以及彈丸在纏角作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性的因素下產(chǎn)生的阻力［4］，本文旨在討論對(duì)象為滑膛武器，其身管不存在纏角，故忽略彈丸作用下的慣性力。

研究彈帶產(chǎn)生塑性變形，必須知道接觸應(yīng)力σk和k。擠入時(shí)，彈帶接觸面上所形成的接觸應(yīng)力問題可以看成是最復(fù)雜的塑性理論問題，因此，需要符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的適當(dāng)近似理論予以解決。本文利用塑性力學(xué)理論建立理想條件下擠進(jìn)過程的數(shù)學(xué)模型。在數(shù)學(xué)模型中作出5點(diǎn)假設(shè):

1）彈帶有直角截面；

2）彈帶材料是硬塑性的；

3）彈帶無環(huán)形應(yīng)變，即彈帶的應(yīng)變?yōu)槠矫妫?/p>

4）加載條件為靜態(tài)；

5）身管壁面不存在變形。

在上述假設(shè)條件下，對(duì)彈帶應(yīng)力應(yīng)變分析如圖1所示，

在上述假設(shè)和受力分析的基礎(chǔ)上，由塑性變形方程寫出彈帶變形的二維方程。

式（1）中，前兩個(gè)方程表示變形平面中研究諸元的等式條件；第3個(gè)方式表示塑性方程；后3個(gè)方程確定了在已知變形速度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并得到以леви-мизеса［5］為基礎(chǔ)的關(guān)于硬塑材料最終塑性變形的正確關(guān)系。

2 擠進(jìn)過程仿真和結(jié)果分析

本文主要從以下結(jié)構(gòu)變化來分析其對(duì)擠進(jìn)阻力的影響:

1）研究彈托外形結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)擠進(jìn)過程的影響；2）研究彈膛摩擦系數(shù)對(duì)阻力曲線的影響。

為了減少各個(gè)變化之間的相互影響，方便分析，在研究中盡量采用一個(gè)變量因素的影響，現(xiàn)對(duì)仿真過程作如下條件設(shè)定:

1）對(duì)擠進(jìn)塑性變形部分采用非線性銅合金材料；

2）擠進(jìn)過程可認(rèn)為是在定容條件下燃燒，火藥燃?xì)鈮毫Φ奶嵘裱瓗缀稳紵伞?/p>

2.1 擠進(jìn)過程模型建立

身管與彈丸為圓柱形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在Ansys-workbench軟件中可將身管和彈丸模型進(jìn)行對(duì)稱分割，在不影響分析結(jié)果的前提下，能大量減少網(wǎng)格數(shù)量，提高分析效率。本文采用自動(dòng)劃分的方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的模型如圖2所示。

圖2 彈丸擠進(jìn)過程1/4模型網(wǎng)格劃分

彈丸在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟峦瓿蓴D進(jìn)過程，根據(jù)文獻(xiàn)［6］和上述條件2的設(shè)定，利用Matlab軟件編寫計(jì)算出內(nèi)彈道程序，提取擠進(jìn)全過程位移下（小于65 mm）的壓力數(shù)值，如下頁表1所示。

對(duì)于彈丸，不添加任何約束，僅在其底部添加壓力載荷，其值為表1的壓力曲線值；對(duì)于身管，添加固定約束；彈丸表面與身管內(nèi)表面為無摩擦接觸（摩擦因素另作為一個(gè)參數(shù)單獨(dú)進(jìn)行分析計(jì)算）。

表1 壓力曲線數(shù)據(jù)

2.2 彈托結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)擠進(jìn)阻力的影響

彈丸分為彈托彈帶和彈體兩部分，彈托彈帶分為擠進(jìn)貼錐面和圓柱部彈帶兩部分［7］，彈丸結(jié)構(gòu)如圖3所示，彈丸在彈膛中的位置如圖4所示。

圖3 彈丸結(jié)構(gòu)

圖4 彈托結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述彈托彈帶結(jié)構(gòu)，可以分別針對(duì)x、h、D1、α 4方面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究其結(jié)構(gòu)變化對(duì)擠進(jìn)阻力的影響。

表2 彈托結(jié)構(gòu)參數(shù)變化取值

2.2.1 貼錐面寬度x

研究貼錐面寬度x的改變對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，為保證研究過程中只存在一個(gè)變量，選定彈托結(jié)構(gòu)中的h=0 mm，D1=14.9 mm。然后，將彈丸結(jié)構(gòu)按照表2中x的7種參數(shù)分別進(jìn)行三維建模，在導(dǎo)入Ansys-workbench后，根據(jù)上述的前處理對(duì)模型進(jìn)行有限元建模，計(jì)算后得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 貼錐面寬度x對(duì)應(yīng)的擠進(jìn)阻力及特性曲線

從圖5中可以看出:擠進(jìn)阻力的峰值和擠進(jìn)后穩(wěn)定值都與貼錐面寬度x成正比。

2.2.2 彈托圓柱面寬度h

同理，為研究彈托圓柱面寬度h對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，本文分別建立了如表2中h為單一變量的7種參數(shù)分別進(jìn)行建模，并將該系列模型在Ansys-workbench中進(jìn)行前文所述的前處理、計(jì)算，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 圓柱面長度h對(duì)應(yīng)的擠進(jìn)阻力及特性曲線

從圖6可以看出:擠進(jìn)阻力峰值會(huì)先與彈托圓柱面寬度h成正比，當(dāng)h增加到一定值時(shí)，擠進(jìn)阻力峰值保持在某一穩(wěn)定值；而擠進(jìn)后穩(wěn)定阻力值與h的增加呈遞減趨勢。

2.2.3 彈托外徑D1

同理，為研究彈托外徑D1對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，建立以D1為單一變量的多個(gè)模型，其中，x，h都為定值，D1分別為表2中的7種參數(shù)，并將該系列模型分別導(dǎo)入Ansys-workbench中，再依照前文進(jìn)行前處理，計(jì)算后得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 彈托直徑D1對(duì)應(yīng)的擠進(jìn)阻力及特性

從圖7可以看出:擠進(jìn)阻力峰值會(huì)先隨著彈托直徑D1變大而增加，當(dāng)D1大到一定值時(shí)，擠進(jìn)阻力峰值幾乎保持在某一穩(wěn)定值；而擠進(jìn)后的穩(wěn)定阻力值會(huì)隨著與D1的變大而遞增。

2.2.4 貼錐面角度α

研究過程中使彈膛擠進(jìn)錐角為單一變量，彈丸結(jié)構(gòu)D1，x，h為某一定值，貼錐面角度取表2中的6種不同參數(shù)分別進(jìn)行建模。將該系列模型分別導(dǎo)入Ansys-workbench中進(jìn)行前文所述的前處理，計(jì)算后得到如圖8所示的仿真結(jié)果。

圖8 貼錐面角度α對(duì)應(yīng)的擠進(jìn)阻力及特性曲線

從圖8可以看出:擠進(jìn)阻力峰值會(huì)隨著貼錐面角度α的變化成正比；而擠進(jìn)后的穩(wěn)定阻力值幾乎在不變。

2.3 摩擦系數(shù)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響

為方便研究摩擦系數(shù)f對(duì)擠進(jìn)阻力的影響，現(xiàn)單獨(dú)將摩擦系數(shù)f作為單獨(dú)變量進(jìn)行分析，即彈托結(jié)構(gòu)均為某一定值，只改變摩擦系數(shù)f，分別取f=0.05，0.1，0.15，0.2。將模型導(dǎo)入Ansys-workbench中分別進(jìn)行前處理，計(jì)算后得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 摩擦系數(shù)f對(duì)應(yīng)的擠進(jìn)阻力及特性曲線

從圖9可以看出:擠進(jìn)阻力峰值和擠進(jìn)后的穩(wěn)定阻力值都會(huì)隨著摩擦系數(shù)f的增加而增加。

3 結(jié)論

為研究某滑膛武器彈托結(jié)構(gòu)對(duì)彈丸擠進(jìn)阻力的影響，本文分別以彈托中貼錐面寬度x、彈托圓柱面寬度h、彈托外徑D1以及貼錐面角度α等4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和彈托外表面和彈膛內(nèi)表面的摩擦系數(shù)f作為單一變量，利用Ansys-workbench對(duì)各個(gè)不同變量的擠進(jìn)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，計(jì)算后得到在以某一結(jié)構(gòu)參數(shù)作為單一變量下的不同擠進(jìn)阻力，并分析了某參數(shù)的變化對(duì)擠進(jìn)阻力峰值和擠進(jìn)后的穩(wěn)定阻力值的影響。

本文的研究為該滑膛武器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)；同時(shí)，也對(duì)該類武器的彈托設(shè)計(jì)有著一定的參考價(jià)值。

［1］金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2011.

［2］樊黎霞，何湘玥.彈丸擠進(jìn)過程的有限元模擬與分析［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32（08）:964-969.

［3］李強(qiáng)，吳寶雙，申玉波，等.基于Abaqus彈丸擠進(jìn)坡膛過程的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（04）:61-65.

［4］金志明，曾思敏.彈丸擠進(jìn)過程的計(jì)算與研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，1991，13（1）:7-13.

［5］周成，王建花，顧克秋，等.火炮身管錐度對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響分析［J］.火力與指揮控制，2016，41（6）: 155-156.

［6］［俄］E.B.丘爾巴諾夫.擠進(jìn)時(shí)期內(nèi)彈道學(xué)與擠進(jìn)壓力計(jì)算［M］.楊敬榮，譯.北京:國防工業(yè)出版社，1997:8-53.

［7］金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2011:78-80.

下期要目

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基于語義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場態(tài)勢實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)

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電磁軌道炮系統(tǒng)建模與分析

Influence of Structural Parameters on Engraving Resistance

GAO Bi-xiang1，YANG Zhen1，WU Chen2
（1.School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Hunan Defense Industry Polytechnic，Xiangtan 411207，China）

In order to study the effect of different structural parameters，which is the smooth-bore，on the engraving resistance，In this paper，the different structure parameters of projectile and friction coefficient as a single variable，the change of engraving resistance are obtained by numerical simulation of engraving process in Ansys-workbench finite element software.Then analysis influence of structural parameters on the engraving resistance.The result can provide the theoretical references to design the structural of the smooth-bore projectile，and it has a certain reference value to the similar kind of weapon.

engraving process，engraving resistance，structural parameters，finite element simulation，structure design

TJ411

A

1002-0640（2017）03-0152-04

2016-02-05

2016-03-07

高碧祥（1991- ），男，重慶永川人，碩士研究生。研究方向：自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真分析技術(shù)。