大口徑防爆彈彈帶擠進(jìn)過程仿真與分析

李 陽，卜雄洙，徐淼淼，關(guān)振華

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094； 2.中國兵器第二○八研究所， 北京 102202)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

大口徑防爆彈彈帶擠進(jìn)過程仿真與分析

李 陽1，卜雄洙1，徐淼淼1，關(guān)振華2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094； 2.中國兵器第二○八研究所， 北京 102202)

防爆彈的彈帶擠進(jìn)過程是其在內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)過程中的重要組成部分，彈帶擠進(jìn)時(shí)期的應(yīng)力應(yīng)變情況對(duì)提高火藥氣體密封、彈丸出膛初速等具有重要影響。根據(jù)Von Mises屈服準(zhǔn)則，建立了防爆彈3D結(jié)構(gòu)模型和材料模型看，利用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS/Explicit Dynamics對(duì)3D模型進(jìn)行了有限元分析，得到擠進(jìn)過程中彈帶的應(yīng)力集中區(qū)域和變形情況。根據(jù)受力平衡，計(jì)算了防爆彈動(dòng)態(tài)擠進(jìn)阻力。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為防爆彈彈帶、身管設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

擠進(jìn)阻力；防爆彈；有限元法

彈帶是防爆彈設(shè)計(jì)的重要部分。彈帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，影響到防爆彈在槍膛內(nèi)起始擾動(dòng)、火藥燃燒時(shí)的密封、彈頭出膛的初速以及彈頭與槍膛的摩擦接觸等各個(gè)方面[1]。隨著防爆武器的發(fā)展，為設(shè)計(jì)出新型、高效的防爆槍械，研究防暴槍動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程中彈帶的應(yīng)力和變形情況，對(duì)改善防爆槍的彈帶設(shè)計(jì)、提高身管壽命具有重要意義[2]。防爆武器屬于非致命性武器，彈頭材料與普通殺傷性武器不同，采用尼龍和塑料等材料[3]。彈帶擠進(jìn)壓力、彈帶在擠進(jìn)時(shí)期變形的研究已有很多，但主要是針對(duì)各式火炮，針對(duì)防爆槍的彈帶擠進(jìn)過程研究較少[4-6]。本文以64 mm防爆彈為例，建立有限元模型，研究防爆彈在動(dòng)態(tài)載荷作用下，彈帶擠進(jìn)阻力、彈帶各結(jié)構(gòu)上應(yīng)力、應(yīng)變隨位移的變化。

1 防爆彈擠進(jìn)模型有限元建模

1.1 幾何模型的建立

為研究防爆彈的動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程，模型做如下假設(shè)[7]：

1) 不考慮卡膛過程，確定防爆彈的初始位置為彈帶與坡膛初始接觸；去掉身管內(nèi)的膛線，減少單元數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間。

2) 簡化防爆彈上擠進(jìn)過程中無關(guān)部位的細(xì)小特征，使有限元模型網(wǎng)格劃分更加合理，計(jì)算時(shí)更易收斂。

3) 忽略發(fā)射時(shí)身管的后座、彈丸前端的空氣阻力和彈丸本身的重力影響；不考慮擠進(jìn)過程中的發(fā)熱影響。

建立防爆彈3D擠進(jìn)模型，防爆彈采用模型彈的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)以配重塊代替，仿真時(shí)可將彈丸在身管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)看成是對(duì)稱的。如圖1所示。

圖1 防爆彈擠進(jìn)1/4-3D模型

1.2 材料模型

針對(duì)防爆彈彈頭材料的特殊性，彈頭采用尼龍1010，身管材料采用高強(qiáng)度碳素鋼50BA，配重塊采用AL 6061-T6材料，材料的參數(shù)定義如表1[8]。

表1 模型材料參數(shù)設(shè)定

配重塊和彈頭采用經(jīng)典的彈塑性材料本構(gòu)模型，雙線性等向強(qiáng)化(BISO)屈服模型

Y=Y0+AεP

(1)

其中：Y是材料的彈塑性材料屈服應(yīng)力；Y0是材料的屈服強(qiáng)度；A是材料的切線模量；εP是材料的塑性應(yīng)變。該模型適用于各向同性材料的大應(yīng)變問題。

防爆彈高速?zèng)_擊擠進(jìn)分析中，因防爆彈和身管坡膛部分產(chǎn)生高速摩擦，會(huì)產(chǎn)生高溫，并有大的塑性變形，且身管為金屬材料適用Johnson-Cook屈服模型[9]：

(2)

1.3 網(wǎng)格劃分

為了減少單元數(shù)量和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分法。擠進(jìn)模型中由3個(gè)部件身管、彈頭、配重塊組成。試驗(yàn)中配重塊和彈頭通過螺紋和膠固定連接。因此，在網(wǎng)格劃分時(shí)將彈頭和配重塊視為整體，其網(wǎng)格應(yīng)保持相關(guān)性即在接觸的邊界上共用相同的節(jié)點(diǎn)。防爆彈的彈帶結(jié)構(gòu)不同于炮彈為單獨(dú)結(jié)構(gòu)，而是與彈頭一體，如圖2所示,為了增加彈帶處計(jì)算精度，在彈帶處對(duì)模型進(jìn)行了細(xì)化。模型主要采用了完全積分的線性六面體單元C3D8，減少了沙漏效應(yīng)，考慮到彈丸擠進(jìn)過程中主要受到切向應(yīng)力和正應(yīng)力，不存在承受彎曲載荷的情況，因此不考慮單元剪切自鎖現(xiàn)象。由于彈頭模型的不是規(guī)則形狀，在彈頭內(nèi)部還有少量的線性四面體單元C3D4，和線性楔形單元C3D6。

圖2 模型網(wǎng)格細(xì)化

1.4 邊界條件和載荷

根據(jù)實(shí)際擠進(jìn)情況，在身管底面施加支撐條件，限制身管在彈丸運(yùn)動(dòng)方向的自由度，同時(shí)在身管外圈上限制徑向自由度。由于防爆彈動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程復(fù)雜，防爆彈在擠進(jìn)前已經(jīng)歷了火藥燃燒推進(jìn)加速卡膛的過程，防爆彈在擠進(jìn)前即具有較高的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)彈底壓力隨火藥燃燒和防爆彈的擠進(jìn)動(dòng)態(tài)變化。不考慮卡膛過程，假設(shè)彈丸在擠進(jìn)前初始速度為零，研究其在變化的膛壓作用下，彈帶在擠進(jìn)過程中的應(yīng)力與應(yīng)變情況。防爆彈的彈底壓力，按照防爆槍理論膛壓曲線的形式，峰值取35 MPa，脈寬取4 ms[10]。

2 數(shù)值計(jì)算與仿真結(jié)果分析

防爆彈擠進(jìn)模型采用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件Ansys/explicit dynamics進(jìn)行計(jì)算。軟件在沖擊信號(hào)不連續(xù)點(diǎn)處，通常得不到穩(wěn)定的結(jié)果，為提高軟件計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性設(shè)置了二次人工阻尼黏度系數(shù)，為減少噪聲設(shè)置了線性人工黏度系數(shù)。

2.1 防爆彈在身管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與受力情況

防爆彈在身管內(nèi)的擠進(jìn)過程，主要表現(xiàn)為彈帶在身管內(nèi)發(fā)生形變的過程，根據(jù)防爆彈彈帶在身管內(nèi)的擠進(jìn)摩擦情況將防爆彈的擠進(jìn)過程分為3個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 防爆彈在身管內(nèi)的擠進(jìn)過程

1) 起始位置，防爆彈彈帶與坡膛初始接觸；

2) 防爆彈的彈帶在坡膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),行程為L1段，L1=3.44 mm；

3) 防爆彈的彈帶同時(shí)在坡膛和彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),行程為L2段，L1=12.1 mm；

4) 防爆彈的彈帶離開坡膛，只在彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即L2以后的行程，這里為L3。

防爆彈位移(L1+L2)=15.54 mm后，彈帶全部進(jìn)入彈膛，擠進(jìn)過程結(jié)束。因此，在分析防爆彈擠進(jìn)過程時(shí)只需觀察30 mm位移內(nèi)的防爆彈彈帶上的應(yīng)力、應(yīng)變即可。

從仿真結(jié)果可見，防爆彈彈帶在擠進(jìn)過程受身管擠壓與摩擦的等效應(yīng)力集中區(qū)域，如圖4所示。

圖4 各行程應(yīng)力集中數(shù)值模擬示意圖

在L1階段，防爆彈由靜止到開始擠進(jìn)坡膛，應(yīng)力集中在彈底和彈帶前部，最大值為48 MPa。在L2階段隨著彈帶離開坡膛進(jìn)入彈膛中，彈帶前端已發(fā)生明顯的塑性變形，應(yīng)力集中的部位向彈帶中間移動(dòng)，此時(shí)最大應(yīng)力值為47.8 MPa。在L3階段，彈帶完全離開坡膛，進(jìn)入彈膛，彈帶的變形相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)力波動(dòng)變小，應(yīng)力達(dá)到最大值50 MPa。L1階段：彈帶由靜止到開始進(jìn)入坡膛，彈底壓力上升，彈帶前端材料的強(qiáng)迫量增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象快速發(fā)生在前端，見圖4(a)中L1段；L2階段：彈帶已全部位于彈膛和坡膛中，彈帶材料均已發(fā)生變形，此時(shí)隨著彈帶材料由坡膛進(jìn)入彈膛，應(yīng)力集中發(fā)生在彈膛入口處，應(yīng)力集中部位開始向彈帶中后部位移動(dòng)；L3階段:彈帶完全進(jìn)入彈膛內(nèi)，彈帶材料被身管擠壓，有一個(gè)明顯的向后流動(dòng),應(yīng)力集中發(fā)生在了彈帶尾部，此時(shí)整條彈帶變形量達(dá)到最大，最大應(yīng)力維持在一個(gè)較穩(wěn)定的值[11-12]。

2.2 彈帶各結(jié)構(gòu)上應(yīng)力、應(yīng)變分析

為分析彈帶各結(jié)構(gòu)在擠進(jìn)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化，在彈帶上沿運(yùn)動(dòng)方向取3個(gè)節(jié)點(diǎn)a、b、c分別位于彈帶的前、中、后區(qū)域，如圖5(a)。比較3個(gè)節(jié)點(diǎn)在擠進(jìn)過程中的Von Mises等效應(yīng)力、應(yīng)變情況。

圖5(b)中,左邊一個(gè)垂直于s軸的虛線代表L1階段的范圍、其與第二根垂直的虛線之間代表L2階段。彈帶由坡膛進(jìn)入彈膛的過程中，彈帶前部a點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力極大值為13 MPa，a點(diǎn)應(yīng)力增加的情況并不劇烈。彈帶前部設(shè)計(jì)采用了斜面結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力快速變化的情況下，使得材料應(yīng)力和應(yīng)變盡量減少，保證了彈帶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。彈帶上b點(diǎn)處應(yīng)力比a點(diǎn)大，應(yīng)變相對(duì)平緩。彈帶尾部c點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生了一個(gè)快速變化由0.34 MPa上升到42 MPa，應(yīng)力達(dá)到了一個(gè)極大值。首先，彈帶尾部結(jié)構(gòu)與前部不同，沒有斜面設(shè)計(jì)；其次彈帶在擠進(jìn)過程中材料整體向后流動(dòng)，使得彈帶尾部產(chǎn)生了體積堆積，引起應(yīng)力場的快速變化；同時(shí)當(dāng)其由坡膛進(jìn)入彈膛時(shí)，物理環(huán)境發(fā)生巨大改變，使彈帶上的應(yīng)變產(chǎn)生了階躍的變化。3個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢與應(yīng)力基本相同，只在b節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力極大時(shí)應(yīng)變并不是很大。這是由于b節(jié)點(diǎn)位于彈帶中部,前后單元形狀類似，且變形時(shí)沒有結(jié)構(gòu)上的突變。

通過以上分析，在彈帶前部設(shè)計(jì)斜面，有效地在應(yīng)力突變的情況下，降低了最大應(yīng)力。合適的斜面角度，可以使得彈帶進(jìn)入坡膛時(shí)應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的損壞。其次，彈帶在擠進(jìn)過程中整體的形狀沿?cái)D進(jìn)反方向變化，在彈帶尾部堆積，應(yīng)力、應(yīng)變均發(fā)生極大變化，在彈帶尾部c節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力42 MPa接近材料的強(qiáng)度極限，此處為彈帶上結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大之處。

圖5 彈帶上前中后3個(gè)部位的應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)排c行程s

2.3 彈丸擠進(jìn)阻力的計(jì)算

防爆彈在運(yùn)動(dòng)方向上的受力平衡，根據(jù)牛頓第二定律，得到擠進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程方程[13]：

SDPD-Ma=FZ

(3)

其中：SD為彈底受力面積；PD為彈底壓力；M為防爆彈質(zhì)量；a為防爆彈在質(zhì)心處節(jié)點(diǎn)的加速度；FZ為彈丸在擠進(jìn)過程中受到的阻力。

數(shù)值模擬得防爆彈的質(zhì)心節(jié)點(diǎn)處加速度與行程關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 防爆彈質(zhì)心節(jié)點(diǎn)加速度-位移曲線

質(zhì)心節(jié)點(diǎn)加速度代入式(3)，分段擬合得到防爆彈擠進(jìn)阻力-位移曲線，如圖7所示。

圖7 擠進(jìn)阻力-位移曲線

在圖7，防爆彈受到的擠進(jìn)阻力在L1、L2、L3階段交界處附近發(fā)生突變，這是因?yàn)榉辣瑥椩跀D進(jìn)過程中的運(yùn)動(dòng)環(huán)境發(fā)生突然改變，擠進(jìn)阻力最大值為8.9 kN。

L1、L2為彈帶的擠進(jìn)階段，此時(shí)隨著彈帶不斷進(jìn)入身管內(nèi)，摩擦接觸面積增大，同時(shí)彈帶受力變形逐漸加劇，阻力不斷上升。當(dāng)彈帶完全擠入彈膛時(shí)L3階段，此時(shí)彈帶與彈膛摩擦面達(dá)到最大，材料變形完全發(fā)生，阻力維持在較大的穩(wěn)定值。

3 結(jié)束語

以64 mm防爆彈彈帶擠進(jìn)過程中彈帶應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檠芯繉?duì)象，針對(duì)模型不同材料分別采用了BIOS和Johnson-cook彈塑性本構(gòu)模型，在有限元軟件Ansys/Explicit中建立了彈帶擠進(jìn)過程的非線性動(dòng)力學(xué)模型，利用顯式算法解算有限元模型，得到在擠進(jìn)過程中防爆彈彈帶上的應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)分析了防爆彈在擠進(jìn)過程中彈帶各結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況，給出了防爆彈的擠進(jìn)阻力和位移的關(guān)系曲線，為防爆彈彈帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯周江川)

Simulation and Analysis of Band Engraving Process for Large-Caliber Explosion-Proof Bullet

LI Yang1, BU Xiong-zhu1, XU Miao-miao1, GUAN Zhen-hua2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing 102202, China)

Explosion-proof bullet band engraving process is an important part of the interior ballistic moving process, and the engraving period of stress and strain have important effects on improving the propellant gas seal, the projectile muzzle velocity and so on. Firstly, according to the Mises Von yield criterion, we established the 3D structure model and material model. By using the explicit dynamic analysis software ANSYS/Explicit dynamics, we analyzed the 3D models and got the stress concentration and deformation region in the engraving process. Finally, according to the force balance, we computed the dynamic engraving resistance. The experimental results of numerical simulation provide a theoretical basis for the design of explosion proof and body tube.

engraving resistance; explosion-proof bullet; finite element method

2016-08-26；

2016-09-27

李陽(1988—)，男，碩士研究生，主要從事彈丸擠進(jìn)壓力測試研究。

10.11809/scbgxb2017.01.015

李陽，卜雄洙，徐淼淼，等.大口徑防爆彈彈帶擠進(jìn)過程仿真與分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):59-62.

format:LI Yang, BU Xiong-zhu, XU Miao-miao,et al.Simulation and Analysis of Band Engraving Process for Large-Caliber Explosion-Proof Bullet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):59-62.

TJ27

A