大口徑艦炮抽殼性能的影響因素研究

李 翔，沈 劍，陳國光，田曉麗，付彩越

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

大口徑艦炮炮閂系統(tǒng)中的抽殼機(jī)構(gòu)主要作用是抽出發(fā)射后留在炮膛內(nèi)的藥筒，艦炮抽殼性能的好壞直接影響著抽殼過程及后續(xù)的炮彈進(jìn)膛[1]。在眾多影響抽殼力的發(fā)射因素中，藥筒的閉氣性能和貼膛時(shí)間是影響艦炮抽殼的關(guān)鍵因素。

吳志林等[2]采用應(yīng)變式測力傳感器測量出鋼藥筒抽殼力隨時(shí)間變化的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)得出膛壓峰值增大時(shí)，抽殼時(shí)過盈量增大，抽殼力提高；膛內(nèi)溫升帶來藥筒與內(nèi)膛初始間隙增加,使得抽殼力有一定程度的降低。衛(wèi)豐等[3]分別采用軸對稱和三維有限元計(jì)算模型，計(jì)算藥筒的發(fā)射應(yīng)力和抽殼力，討論了初始間隙等因素對發(fā)射應(yīng)力和抽殼力的影響?？灯G祥等[4]用理論和仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合分析了初始間隙和彈膛壁厚對抽殼力的影響，得到初始間隙、彈膛壁厚、摩擦系數(shù)與抽殼力之間的關(guān)系。譚波等[1]對艦炮抽殼機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真，分析抽筒模板下移和抽筒左右位置變化對抽殼的影響。

本文在前人研究基礎(chǔ)之上，通過理論和仿真結(jié)合的研究方法，分析不同膛壓上升速率下藥筒貼膛的時(shí)間差異；分析不同工作溫度下卸載后藥筒與身管接觸面殘余正壓力的分布情況，研究貼膛時(shí)間與殘余正壓力對于艦炮抽殼性能的影響。

1 藥筒發(fā)射過程理論分析模型

1.1 有限元計(jì)算理論模型

艦炮發(fā)射后的抽殼過程是一個(gè)包含彈塑性變形、接觸、摩擦等復(fù)雜因素的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程,各個(gè)零件的相互作用非常復(fù)雜。藥筒和身管配合后的3/4 剖切模型如圖1 所示。

圖 1 藥筒與身管模型Fig.1 Cartridge and barrel models

根據(jù)變分原理，可推導(dǎo)出彈塑性的有限元求解方程為[5]：

式中， s0表 示藥筒或身管的表面， { W}表示體積力密度， {?qi}表示藥筒或身管表面所承受的面積力密度，{pi}表示集中力。

1.2 影響抽殼性能的因素分析

影響艦炮抽殼性能的因素包括：彈殼的材料和機(jī)械性能、初始間隙、最大膛壓、彈膛壁厚、彈殼與彈膛的摩擦系數(shù)、抽殼時(shí)機(jī)等[6]。本文重點(diǎn)研究不同膛壓及貼膛時(shí)間對艦炮抽殼性能的影響。

在同樣的藥筒、身管尺寸（間隔）、公差、最大膛壓下，膛內(nèi)壓力早期上升率降低，藥筒貼膛不及時(shí)，造成藥筒、身管之間在內(nèi)彈道早期就存在高壓燃?xì)?，可表述如圖2 所示。

圖 2 有無泄氣下的壓力分布對比Fig.2 Pressure distribution with or without leakage

圖中p 為膛壓，p1為泄入間隙中的高溫燃?xì)鈮簭?qiáng)。p1的存在導(dǎo)致藥筒口部徑向載荷降低，影響貼膛過程時(shí)間，降低了貼膛接觸應(yīng)力。p1的量值及其隨位置的分布有很強(qiáng)的隨機(jī)性，p1的存在會(huì)導(dǎo)致藥筒部分區(qū)域無法貼膛，一般情況存在0≤p1≤p。無法定量計(jì)算p1，可通過定性分析靠近藥筒口部位置壓強(qiáng)的分布如圖3 所示。

圖 3 泄氣后藥筒口部位置壓力分布Fig.3 Pressure distribution on top of cartridge after leakage

因?yàn)閜1抵消了部分p 對藥筒的作用，導(dǎo)致口部貼膛時(shí)間延遲。口部部分區(qū)域隨機(jī)性導(dǎo)致藥筒口部卸載后的殘余接觸應(yīng)力失去或減少，影響口部材料與身管貼合，不產(chǎn)生或者產(chǎn)生較小的退殼力，不能滿足退殼要求。因此需要著重研究膛壓升速對于藥筒貼膛的影響，而貼膛直接影響最終的抽殼過程。

2 有限元計(jì)算前處理

2.1 CCAE 藥筒有限元分析軟件

CCAE（Cartridge Computer Aided Engineering）藥筒有限元軟件系統(tǒng)是2017 年由中北大學(xué)智能彈藥中心在可視化的Windows 平臺(tái)上開發(fā)的面向藥筒發(fā)射強(qiáng)度問題的軟件組。CCAE 軟件針對現(xiàn)代藥筒設(shè)計(jì)過程中藥筒與身管之間互相接觸的復(fù)雜非線性問題進(jìn)行定量的分析計(jì)算。CCAE 藥筒有限元軟件的主要功能如下：

1）軟件自動(dòng)與CAD 作圖軟件SolidWorks 連接，實(shí)現(xiàn)了幾何模型的智能獲取。

2）可實(shí)現(xiàn)模型的智能網(wǎng)格劃分，生成高質(zhì)量的四邊形為主體，混有少量三角形單元的混合網(wǎng)格，模型邊界處全為四邊形單元，貼體良好。

3）可實(shí)現(xiàn)受約束、載荷、接觸單元的自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)加載。

4）可實(shí)現(xiàn)求解時(shí)間的自動(dòng)調(diào)整，使求解在較短的時(shí)間內(nèi)完成。

5）可直接從求解結(jié)果中獲取退殼力大小。

6）可求解藥筒厚度、藥筒身管間隙及材料性能與退殼力之間的關(guān)系，為藥筒設(shè)計(jì)提供幫助。

7）區(qū)域材料定義具有可繼承性，方便用戶建立有限元模型。

CCAE 藥筒有限元軟件運(yùn)行后的主界面如圖4 所示。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 材料模型

對于藥筒發(fā)射過程的仿真分析是在理想、正常的狀態(tài)下進(jìn)行的。在建立材料模型時(shí)遵循以下3 點(diǎn)：

圖 4 CCAE 藥筒有限元軟件主界面Fig.4 CCAE interface

1）藥筒包含3 個(gè)材料區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)材料具有一致性。身管整體采用同一種材料；

2）身管材料為線彈性，即材料應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，外載荷去除后材料的變形可全部恢復(fù)；

3）藥筒材料為雙線性模型。該模型是通過2 個(gè)直線段來模擬彈塑性材料的本構(gòu)關(guān)系，在彈性階段和塑性階段都為線性的材料，2 條直線的交點(diǎn)即為應(yīng)力屈服點(diǎn)。

藥筒與身管的材料參數(shù)如表1 所示。

表 1 材料力學(xué)性能參數(shù)表Tab.1 Material mechanical parameters table

2.2.2 膛壓升速曲線

藥筒口部貼膛時(shí)間與膛壓上升速率有一定的關(guān)系。為了分析貼膛時(shí)間與膛壓上升速率之間的關(guān)系，在假設(shè)藥筒閉氣可靠的前提下，初始膛壓限制為30 MPa，膛壓加載時(shí)間分別選取0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.4 ms、0.5 ms，組成不同的膛壓上升速率曲線，如圖5 所示。通過仿真計(jì)算結(jié)果分析藥筒口部貼膛時(shí)間與膛壓上升速率的關(guān)系。

2.2.3 不同溫度下的膛壓曲線

計(jì)算中選取了高溫、常溫、低溫3 種工作溫度下的膛壓曲線，通過分析卸載一段時(shí)間后的藥筒身管接觸面殘余應(yīng)力來計(jì)算最終的抽殼力。不同溫度下的膛壓曲線如圖6 所示。

圖 5 膛壓升速曲線Fig.5 Gun pressure rising-speed curve

圖 6 膛壓曲線Fig.6 Gun pressure curve

2.2.4 有限元模型

考慮到藥筒、身管的結(jié)構(gòu)和載荷對稱性，在保證計(jì)算精度的前提下，為了降低計(jì)算時(shí)間，建立藥筒與身管有限元對稱面模型。在CCAE 軟件中按照結(jié)構(gòu)、材料特點(diǎn)對身管和藥筒劃分多個(gè)區(qū)域，然后對每一區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后如圖7 所示。

圖 7 CCAE 軟件前處理結(jié)束后藥筒網(wǎng)格分區(qū)Fig.7 Mesh of cartridge after CCAE preset

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同膛壓升速下的計(jì)算結(jié)果

圖 8 膛壓升速和藥筒貼膛時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.8 Relation between gun pressure rising-speed and bore nestling time

通過仿真計(jì)算，得到不同膛壓升速下對應(yīng)的藥筒口部貼膛時(shí)間和貼膛壓力關(guān)系曲線如圖8 所示。

通過分析計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，藥筒口部的貼膛時(shí)間隨著膛壓升速的增大而縮短。

3.2 不同膛壓曲線下的抽殼力計(jì)算結(jié)果

圖6 所示膛壓曲線為輸入載荷，通過分析計(jì)算，可知卸載后藥筒上殘余正壓力沿軸向的分布情況。不同工作溫度下殘余正壓力分布如圖9 所示。

圖 9 殘余正壓力分布曲線Fig.9 Remain positive pressure distribution curve

取摩擦系數(shù)為0.1，計(jì)算出不同溫度下的抽殼力如表2 所示。

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，卸載后藥筒上殘余正壓力沿軸向主要分布在藥筒口部和斜肩部。并且殘余正壓力隨著溫度的升高而增大。其中藥筒口部的殘余正壓力所占比例較高。

4 結(jié) 語

通過對大口徑艦炮發(fā)射過程的進(jìn)行理論分析、有限元計(jì)算仿真后發(fā)現(xiàn)，藥筒口部貼膛的時(shí)間是影響抽殼力大小的重要因素之一。因此，在藥筒的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)通過組件結(jié)構(gòu)調(diào)整初始內(nèi)彈道特征參數(shù)方法來改進(jìn)閉氣性，改善貼膛性能。本文結(jié)論如下：

1）通過對高溫、常溫、低溫下藥筒的發(fā)射過程進(jìn)行有限元分析，得到不同工況下藥筒在實(shí)際膛壓曲線下的貼膛時(shí)間；

2）分析計(jì)算5 種膛壓上升速率與對應(yīng)的藥筒口部貼膛時(shí)間關(guān)系，得到藥筒口部的貼膛時(shí)間隨著膛壓升速的增大而縮短。如果藥筒口部有漏氣現(xiàn)象存在，藥筒口部無法順利貼膛。

因此，在藥筒點(diǎn)火藥裝藥設(shè)計(jì)中應(yīng)恰當(dāng)選擇點(diǎn)火藥的加載曲線，確保藥筒口部能夠在火藥燃?xì)獬鏊幫部诓恐凹皶r(shí)貼膛，從而順利抽殼。