膛內(nèi)加速度過載測(cè)試曲線異?，F(xiàn)象分析*

周家勝,楊 瑩,謝 飛,曹成壯,曲凡軍,仵 婧

(1 海軍駐沈陽(yáng)彈藥專業(yè)代表室,沈陽(yáng) 110045; 2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽(yáng) 110045)

膛內(nèi)加速度過載測(cè)試曲線異?，F(xiàn)象分析*

周家勝1,楊 瑩2,謝 飛2,曹成壯2,曲凡軍2,仵 婧2

(1 海軍駐沈陽(yáng)彈藥專業(yè)代表室,沈陽(yáng) 110045; 2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽(yáng) 110045)

某產(chǎn)品在解決引信故障時(shí)進(jìn)行了膛內(nèi)加速度過載測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在炮口附近出現(xiàn)測(cè)試曲線高頻階躍現(xiàn)象。研制部門從發(fā)射裝藥、膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)及加速度測(cè)試等方面對(duì)產(chǎn)生高頻階躍現(xiàn)象進(jìn)行了分析,對(duì)火炮身管內(nèi)膛進(jìn)行了檢測(cè),并從安全方面進(jìn)行了模擬試驗(yàn)及全彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。結(jié)果表明:該異常現(xiàn)象是彈丸運(yùn)動(dòng)到半約束期前期與火炮磕碰,造成信號(hào)干擾,引起測(cè)試峰值過大;經(jīng)分析,表明該彈在極端條件下仍在計(jì)算許可范圍內(nèi),產(chǎn)品發(fā)射時(shí)是安全的。

膛內(nèi)過載;峰值異常;分析

0 引言

在解決某產(chǎn)品引信故障過程中,進(jìn)行了3發(fā)彈膛內(nèi)加速度過載測(cè)試,試驗(yàn)用四軸加速計(jì)測(cè)量了膛內(nèi)軸向加速度和橫向加速度?；厥?發(fā)彈中黑匣子回讀數(shù)據(jù)繪制的膛內(nèi)軸向加速度和橫向加速度曲線如圖1～圖6所示。

從圖1～圖6所示曲線可以看出,3發(fā)炮彈都出現(xiàn)不同幅度的軸向和橫向加速度上下高頻階躍現(xiàn)象。其中2號(hào)黑匣子回讀數(shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)了向上的高頻階躍軸向加速度峰值,峰值達(dá)到16 900g,瞬間(約0.3 ms)高過正常膛內(nèi)軸向加速度曲線峰值14 000g;而圖4曲線,在同期出現(xiàn)了向上的高頻階躍橫向加速度峰值,峰值達(dá)到4 700g,瞬間(約0.3 ms)高過正常膛內(nèi)橫向加速度曲線峰值1 600g。對(duì)此,開展了分析、檢測(cè)及仿真分析工作。

圖1 1號(hào)黑匣子軸向加速度曲線

1 影響因素分析

影響膛內(nèi)加速度測(cè)試曲線的主要因素有發(fā)射裝藥、彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)正確性、火炮身管內(nèi)膛情況以及過載測(cè)試等四個(gè)方面,對(duì)此進(jìn)行了分析。

圖2 1號(hào)黑匣子橫向加速度曲線

圖3 2號(hào)黑匣子軸向加速度曲線

圖4 2號(hào)黑匣子橫向加速度曲線

圖5 3號(hào)黑匣子軸向加速度曲線

1.1 發(fā)射裝藥因素分析

裝藥結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不合理,燃燒不穩(wěn)定,有可能產(chǎn)生兩次峰,進(jìn)而影響膛內(nèi)加速度過載曲線。

該產(chǎn)品采用單一品號(hào)的AH(改性三基藥)發(fā)射藥23/19,研制時(shí)進(jìn)行過膛內(nèi)P-T曲線測(cè)試,曲線光滑、無異常。出現(xiàn)膛內(nèi)加速度過載曲線測(cè)試異?，F(xiàn)象后,對(duì)該批發(fā)射藥又進(jìn)行了P-T曲線測(cè)試,見圖7。測(cè)試結(jié)果表明,P-T曲線光滑、無異常。

圖6 3號(hào)黑匣子橫向加速度曲線

圖7 P-T曲線測(cè)試結(jié)果

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,把實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入內(nèi)彈道基本方程[1],計(jì)算得出該彈在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為16.15 ms,火藥氣體燃燒結(jié)束時(shí)間為8.87 ms。

3發(fā)彈膛內(nèi)加速度過載測(cè)試結(jié)果顯示,其中一發(fā)在最大膛壓點(diǎn)(對(duì)應(yīng)時(shí)間7 ms)后5 ms(對(duì)應(yīng)時(shí)間為12 ms)處又出現(xiàn)一個(gè)短時(shí)較大峰值,另二發(fā)在炮口處(對(duì)應(yīng)時(shí)間16 ms左右)有第二個(gè)峰值。由于發(fā)射藥燃燒完全時(shí)間在9 ms前,此時(shí)發(fā)射藥已經(jīng)燃盡,后面處于火藥氣體膨脹做功狀態(tài),不會(huì)產(chǎn)生火藥氣體突然增大的情況。

從P-T曲線測(cè)試及火藥燃燒結(jié)束點(diǎn)分析,膛內(nèi)軸向加速度產(chǎn)生較大振幅不是發(fā)射裝藥因素所致。

1.2 彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)因素分析

由火炮發(fā)射炮彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知,由于高壓火藥氣體對(duì)炮彈作用的不均衡性、炮彈加工或裝配產(chǎn)生的質(zhì)量偏心、火炮身管內(nèi)壁陽(yáng)線磨損以及發(fā)射時(shí)身管顫振(尤其對(duì)較長(zhǎng)火炮身管來講)等因素的存在,炮彈在膛內(nèi)軸向高速推進(jìn)和高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中,會(huì)不斷地發(fā)生彈炮磕碰現(xiàn)象,產(chǎn)生不均衡力[2]。

由彈丸設(shè)計(jì)理論,彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)有不均衡力,見圖8[3]。

圖8 旋轉(zhuǎn)軸與對(duì)稱軸不重合而引起的不均衡力

圖8中:K2為由旋轉(zhuǎn)軸與彈軸不重合引起的上定心部的不均衡力;L2為由旋轉(zhuǎn)軸與彈軸不重合引起的彈帶的不均衡力;K3、L3為上定心部與彈帶處產(chǎn)生的反力,K3、L3大小相等,方向相反;C為彈丸的總離心力;ζ為彈丸質(zhì)心離開火藥氣體作用線距離。

根據(jù)3發(fā)彈黑匣子數(shù)據(jù)反映的高頻階躍現(xiàn)象來看,幾乎都發(fā)生在半約束期前期。在這種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程前期,受到炮彈上下定心部與身管內(nèi)壁陽(yáng)線較小彈炮間隙的約束,盡管彈炮磕碰無法避免,但其力度相對(duì)較輕;而當(dāng)炮彈運(yùn)動(dòng)到炮口臨近區(qū)域,由于彈頭前方壓縮氣體在炮口區(qū)域劇烈泄壓帶來的瞬時(shí)擾動(dòng)以及彈丸前定心部在出炮口瞬間失去了前部支撐,必然在半約束期前期發(fā)生一次或多次較大力度的彈炮磕碰現(xiàn)象[4]。

從3發(fā)彈回讀黑匣子數(shù)據(jù)反映的高頻階躍現(xiàn)象就說明了彈炮磕碰現(xiàn)象的存在。也就是說,在半約束期前期發(fā)生彈炮磕碰是一種正常現(xiàn)象,只是磕碰力度會(huì)有所不同。

該產(chǎn)品經(jīng)過近千發(fā)內(nèi)彈道、彈丸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及外彈道試驗(yàn)考核,工作全部正常;檢查強(qiáng)度試驗(yàn)回收彈丸,上定心部的火炮陽(yáng)線印痕及各部位的變形量均在要求范圍內(nèi),說明產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理。

3發(fā)膛內(nèi)加速度過載測(cè)試彈,外彈道飛行聲音正常,均到達(dá)落彈區(qū),說明彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)正確,膛外工作正常。

1.3 火炮身管因素的分析

對(duì)該門火炮進(jìn)行了內(nèi)膛檢查,結(jié)果顯示:在坡膛起始部有燒蝕;2 300 mm(火炮身管長(zhǎng)8 060 mm)以后到口部陽(yáng)線完整,未見異常。

該火炮身管已射擊750發(fā)彈,從射擊發(fā)數(shù)分析,火炮身管內(nèi)膛起始部位磨損及燒蝕是正常的,2 300 mm以后陽(yáng)線完整,不會(huì)影響后期的膛內(nèi)曲線測(cè)試。

1.4 過載測(cè)試因素分析

加速度計(jì)用于彈丸膛內(nèi)和膛外過載測(cè)試,是常用的方法和手段,技術(shù)相對(duì)成熟。

根據(jù)加速度計(jì)測(cè)量原理[5],在彈炮磕碰發(fā)生瞬時(shí),無論是軸向還是橫向,首先必然產(chǎn)生一定幅度的負(fù)向(向下)加速度,而后將產(chǎn)生接近同等幅度向上回振的正向加速度,這種階躍具有近似等幅性和高頻率等特性。

1號(hào)和3號(hào)黑匣子測(cè)試數(shù)據(jù)反映的彈炮磕碰力度和曲線波形上下階躍幅度都是正常的,而2號(hào)黑匣子數(shù)據(jù)反映的高頻階躍不等幅是不正常的。從加速度計(jì)測(cè)量方面分析,2號(hào)黑匣子出現(xiàn)的這種高頻階躍不等幅現(xiàn)象是加速度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中某個(gè)接插件在彈炮磕碰瞬間發(fā)生松動(dòng)移位而在回振時(shí)刻又瞬時(shí)歸位產(chǎn)生的脈沖干擾造成的。其它產(chǎn)品膛內(nèi)過載測(cè)試曲線也有類似的現(xiàn)象。

綜上所述,產(chǎn)生膛內(nèi)過載測(cè)試曲線異常不是發(fā)射裝藥、彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)及火炮身管本身等因素造成的,是彈丸運(yùn)動(dòng)到半約束期前期與火炮磕碰,造成信號(hào)干擾,引起加速度計(jì)測(cè)試峰值過大。

2 彈藥安全性仿真分析

在分析基礎(chǔ)上,考慮可能出現(xiàn)的極端條件,開展了試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)及仿真分析等方面的工作。

2.1 引信試驗(yàn)室等效模擬試驗(yàn)

為了摸清膛內(nèi)如果存在瞬時(shí)較大的過載對(duì)引信的影響,進(jìn)行了極端條件下實(shí)驗(yàn)室等效模擬試驗(yàn)。

等效模擬試驗(yàn)在引信專用錘擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。按照測(cè)試曲線上的最大過載峰值,軸向錘擊過載17 000g(正常產(chǎn)品15 400g)、橫向錘擊過載5 000g。

試驗(yàn)結(jié)果表明,引信總體及各零件能夠適應(yīng)膛內(nèi)可能出現(xiàn)的極端發(fā)射環(huán)境。

2.2 彈丸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

2.2.1 計(jì)算模型

為了了解加速度峰值達(dá)到16 900g時(shí),對(duì)彈丸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和發(fā)射安全性的影響,計(jì)算采用ANSYS瞬態(tài)有限元分析軟件,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖

由于所有結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱的特征,載荷也是軸對(duì)稱的,將彈丸視為軸對(duì)稱問題可使問題簡(jiǎn)化。圖9為其計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖。單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目如表1所示。

表1 零件材料與網(wǎng)格劃分參數(shù)

2.2.2 載荷

計(jì)算中單位制采用cm-g-ms,計(jì)算結(jié)果應(yīng)力等值圖中的數(shù)值除以10后單位即為MPa。計(jì)算用火藥氣體最大膛壓分別為420 MPa(相當(dāng)于加速度16 900g)、380 MPa(設(shè)計(jì)的最大壓力)。計(jì)算載荷分布見圖10。

圖10 計(jì)算載荷分布圖

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

全彈、彈體、增程殼體、炸藥裝藥、底螺等部件的各向應(yīng)力分布圖如圖11～圖14所示。各部件各向應(yīng)力的最大值如表2所示。

增程殼體材料的屈服應(yīng)力為1 100 MPa,計(jì)算壓力為420 MPa時(shí),接近屈服應(yīng)力區(qū)域基本涵蓋了兩彈帶間部分,且已貫穿增程殼體內(nèi)外壁,其等效應(yīng)力最大值為1 073 MPa;計(jì)算壓力為380 MPa時(shí),接近屈服應(yīng)力區(qū)域限于兩彈帶間殼體部分的內(nèi)部,未貫穿增程殼體內(nèi)外壁,其等效應(yīng)力最大值為1 033 MPa。各部件等效應(yīng)力分布見圖11～圖14。

圖11 增程殼體等效應(yīng)力分布

圖12 全彈等效應(yīng)力分布

表2 各部件各向應(yīng)力的最大值比較 (單位：MPa)

圖13 彈體等效應(yīng)力分布

圖14 炸藥裝藥等效應(yīng)力分布

加速度峰值達(dá)到16 900g時(shí)極端條件下的有限元仿真結(jié)果表明,該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裝藥安定性都在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)火炮內(nèi)膛檢測(cè)、發(fā)射裝藥及彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)及過載測(cè)試分析,產(chǎn)生膛內(nèi)過載測(cè)試曲線異?，F(xiàn)象是彈丸運(yùn)動(dòng)到半約束期前期與火炮正?？呐?造成信號(hào)干擾,引起測(cè)試峰值異常[6]。

為了摸清可能出現(xiàn)的極端環(huán)境條件下該彈的承受能力,進(jìn)行了引信試驗(yàn)室等效模擬試驗(yàn),對(duì)彈丸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。結(jié)果表明,即使按照可能出現(xiàn)的極端條件,該彈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi),產(chǎn)品發(fā)射時(shí)是安全的。

[1] 華東工程學(xué)院一○三教研室.內(nèi)彈道學(xué) [M].南京:華東工程學(xué)院,1974:121-123.

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[3] 魏惠之,朱鶴松,汪東輝,等.彈丸設(shè)計(jì)理論 [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985:105-106.

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TheAbnormalPhenomenonofOverloadinBoreTestCurveAnalysisandSafetyAssessment

ZHOU Jiasheng1,YANG Ying2,XIE Fei2,CAO Chengzhuang2,QU Fanjun2,WU Jing2

(1 Military Representative Office of Nary Ammunition in Shenyang Area,Shenyang 110045,China; 2 Liaoshen Industries Group Co.Ltd,Shenyang 110045,China)

A product with a fuze fault experienced bore acceleration test,it was found that near the muzzle appears test high-frequency step-curve phenomenon.The development department made analysis on interior ballistic projectile design and acceleration test,laboratory simulation test and equivalent strength simulation analysis of missile structure were done in consideration of safety.The results show that:bore overload curve anomalies are not caused by interior ballistic charge structure,according to analysis,projectile collision with artillery in preliminary of semi-confinement period causes signal interference,result in higher test peak.Equivalent simulation test of test chamber and simulation analysis of structure strength and launch safety of projectile results show that the missile is still in the range of calculation under extreme conditions.It can be said when launching the product is safe.

acceleration in bore; peak anomaly; analysis

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.036

2016-09-02

周家勝(1968-),男,遼寧丹東人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:彈藥工程。

TJ413.4

A