基于高速供彈過(guò)程的桿式穿甲彈沖擊力仿真分析

歐陽(yáng)稠，焦延博，鄭添春，王均濤

(宜春先鋒軍工機(jī)械有限公司，江西 宜春 336000)

供彈機(jī)是艦炮自動(dòng)供彈機(jī)構(gòu)的重要組成部分，起到彈藥定位和輸彈入膛的作用，它在很大程度上決定了整個(gè)武器系統(tǒng)的可靠性[1]。對(duì)于小口徑防空火炮的供彈彈鼓，當(dāng)高速供彈時(shí)導(dǎo)引肋板與桿式穿甲彈之間的沖擊將對(duì)穿甲彈的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而對(duì)其內(nèi)彈道、外彈道以及毀傷效能造成一定的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)艦炮彈鼓和彈鏈等供彈機(jī)構(gòu)展開(kāi)了研究[2-5]，王鋼等針對(duì)彈鼓儲(chǔ)彈和單線揚(yáng)彈過(guò)程，分析了動(dòng)力學(xué)特性[6]。筆者主要討論高速供彈過(guò)程中導(dǎo)引肋板與桿式穿甲彈之間的沖擊問(wèn)題，對(duì)供彈機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并利用LS-DYNA顯式動(dòng)力有限元仿真軟件對(duì)高速供彈過(guò)程中導(dǎo)引肋板與桿式穿甲彈之間以及桿式穿甲彈各零部件之間的沖擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析供彈過(guò)程中沖擊對(duì)桿式穿甲彈結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，為生產(chǎn)和實(shí)彈連射試驗(yàn)提供參考。

1 數(shù)值分析

供彈系統(tǒng)主要有直線供彈和轉(zhuǎn)動(dòng)供彈兩種供彈模式。直線供彈模式主要采用鏈輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈條作直線運(yùn)動(dòng)，肋板帶動(dòng)桿式穿甲彈隨鏈條同時(shí)運(yùn)動(dòng)[7]。轉(zhuǎn)動(dòng)供彈模式是由撥彈輪旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)桿式穿甲彈作圓周運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)對(duì)以上兩種供彈模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)于供彈結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的坐標(biāo)矢量組可表示為

(1)

式中：qi為供彈構(gòu)件i的坐標(biāo)矢量；n為供彈系統(tǒng)中的構(gòu)件個(gè)數(shù)，歸一化約束處理后供彈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)歐拉參數(shù)矢量方程組為[8]

(2)

供彈系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束矢量方程組為

(3)

式中，m為供彈系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)約束的個(gè)數(shù)。

令約束方程

ΦD(q,t)=0，

(4)

可得到

(5)

求導(dǎo)可得構(gòu)件速度方程:

(6)

由于式(6)不包含時(shí)間t變量，則有

(7)

對(duì)式(6)進(jìn)一步求導(dǎo)得到加速度方程:

(8)

對(duì)于橫向沖擊過(guò)程初始運(yùn)動(dòng)條件，可設(shè)火炮射頻為f(轉(zhuǎn)管自動(dòng)炮在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)完成循環(huán)射擊運(yùn)動(dòng)，最理想的供彈過(guò)程為勻速供彈，此時(shí)撥彈機(jī)構(gòu)受到的沖擊力最小，運(yùn)動(dòng)可靠性最高)，導(dǎo)引肋板的節(jié)距為l，撥彈輪半徑為r。忽略桿式穿甲彈在火炮中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，彈丸與彈鏈視為固連，炮彈與撥彈輪和肋板均為接觸碰撞，則供彈肋板的平均移動(dòng)速度和撥彈輪角速度計(jì)算如下，并有：

v=l·f,

(9)

ω=x×v.

(10)

設(shè)導(dǎo)引肋板之間的距離為52 mm，系統(tǒng)供彈速率為5 000發(fā)/min。供彈模式運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。將以上條件作為仿真模型初始條件進(jìn)行加載。

表1 供彈過(guò)程運(yùn)動(dòng)參數(shù)

橫向沖擊過(guò)程采用碰撞函數(shù)來(lái)描述，沖擊力Fx表示為

(11)

式中：e為非直線系數(shù)；c為阻尼系數(shù)，取剛度系數(shù)的0.1%～1%；d為形變深度；x為相互作用構(gòu)件的距離變量；x0為兩構(gòu)件碰撞初始距離；k為懲罰函數(shù)，即剛度系數(shù)，根據(jù)Hertz接觸理論有

(12)

式中：R為零部件接觸位置處的曲率半徑；E為零部件材料的彈性模量。

2 仿真模型

在高速供彈過(guò)程中，桿式穿甲彈將受到導(dǎo)引肋板對(duì)整彈的沖擊，若此橫向沖擊過(guò)大，將導(dǎo)致整彈的零部件結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。因此，現(xiàn)對(duì)桿式穿甲彈和導(dǎo)引肋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元仿真，分析供彈過(guò)程中桿式穿甲彈整彈內(nèi)部的應(yīng)力分布。在高速供彈過(guò)程中存在轉(zhuǎn)動(dòng)供彈與直線供彈兩種供彈模式，由于兩種供彈模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用ADAMS對(duì)供彈系統(tǒng)進(jìn)行仿真[9-10]，而桿式穿甲彈整彈在供彈過(guò)程中橫向沖擊對(duì)桿式穿甲彈零部件結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響程度是筆者所關(guān)注的。因此，將兩種供彈模式簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)引肋板與直線導(dǎo)引肋板進(jìn)行研究并作如下假設(shè)[11]：

1)穿甲彈零部件的變形在彈性范圍內(nèi)，不考慮材料的非線性項(xiàng)；

2)求解過(guò)程中，肋板作為剛體進(jìn)行處理；

3)藥筒的變形完全是由肋板與藥筒的過(guò)盈配合引起的，不考慮其他力引起的藥筒變形。

對(duì)于桿式穿甲彈建模，考慮到仿真模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，忽略對(duì)整彈影響較小的尼龍彈帶和橡膠閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)，以便簡(jiǎn)化仿真模型，提高仿真計(jì)算速度。桿式穿甲彈有限元模型中，尾翼采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1.0 mm，風(fēng)帽、整彈采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1.0 mm，彈托、藥筒采用掃略網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1.0 mm，導(dǎo)引肋板采用掃略網(wǎng)格，主體部分網(wǎng)格大小為1.2 mm，與藥筒接觸部分網(wǎng)格大小為1.0 mm。

設(shè)定桿式穿甲彈各零部件之間采TIED_NODES_TO_SURFACE接觸，導(dǎo)引肋板與藥筒之間采用AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接觸，導(dǎo)引肋板定義徑向恒定的運(yùn)動(dòng)速度，以模擬導(dǎo)引肋板對(duì)整彈的沖擊作用[12-13]。

對(duì)兩種導(dǎo)引肋板分別建模，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)引肋板和直線供彈節(jié)有限元仿真模型分別如圖1(a)和圖1(b)所示，轉(zhuǎn)動(dòng)供彈、直線供彈和桿式穿甲彈有限元仿真模型分別如圖1(c)～(e)所示。

非金屬零部件，如尼龍彈帶和橡膠閉氣環(huán)等不在本文中分析，仿真模型中相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型中相關(guān)材料參數(shù)

3 仿真結(jié)果

在轉(zhuǎn)動(dòng)供彈過(guò)程中，取導(dǎo)引肋板與藥筒上接觸部分上兩個(gè)單元A和B，所取單元位置如圖2所示。導(dǎo)引肋板與桿式穿甲彈碰撞過(guò)程橫方向速度曲線如圖3所示，該過(guò)程為強(qiáng)制輸彈過(guò)程，穿甲彈受到導(dǎo)引肋板作用開(kāi)始加速，在t=0.085 ms時(shí)穿甲彈和導(dǎo)引肋板的速度相等，此后兩者速度保持接近，可知，此階段兩者完成碰撞后一起運(yùn)動(dòng)，供彈橫向沖擊過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定供彈階段，直線供彈模式采用相同方式判斷橫向沖擊結(jié)束時(shí)刻。整彈零部件結(jié)構(gòu)加速度曲線如圖4所示。

利用LS-DYNA求解器對(duì)仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)整彈應(yīng)力云圖進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)動(dòng)供彈模式的應(yīng)力云圖如圖5、6所示，直線供彈模式的應(yīng)力云圖如圖7、8所示。

在后處理模式中，為了分析桿式穿甲彈各零部件結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵位置應(yīng)力情況，在仿真模型中設(shè)置相應(yīng)的等效應(yīng)力觀察點(diǎn)，觀察點(diǎn)具體位置如圖9所示。其中觀察點(diǎn)A位于導(dǎo)引肋板接觸位置(同圖2所示位置)，B位于藥筒與供彈鏈肋板接觸位置附近(同圖2所示位置)，C位于彈托周向位置處，D、E、F、G分別沿彈芯自上而下分布，等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。觀察點(diǎn)處的分析處理結(jié)果如表3所示。

表3 觀察點(diǎn)處的分析處理結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出：在轉(zhuǎn)動(dòng)供彈模式中整彈在受到導(dǎo)引肋板的沖擊作用過(guò)程中，彈芯4個(gè)自上而下觀察點(diǎn)最大應(yīng)力峰值依次為332，199，334，604 MPa，應(yīng)力最大值位于下部G點(diǎn)；彈托應(yīng)力峰值為132 MPa；藥筒應(yīng)力峰值為327 MPa，藥筒安全系數(shù)最小。對(duì)于彈芯，由于鎢合金材料抗壓不抗剪，在橫向沖擊模式，應(yīng)力集中位置極易產(chǎn)生微小裂紋，影響其力學(xué)性能。在直線供彈模式中，彈芯4個(gè)自上而下觀察點(diǎn)最大應(yīng)力峰值依次為62，103，134，207 MPa，應(yīng)力最大值位于下部G點(diǎn)；彈托應(yīng)力峰值為198 MPa；藥筒應(yīng)力峰值為500 MPa，藥筒安全系數(shù)最小。

4 結(jié)論

對(duì)于目前已有的供彈系統(tǒng)和彈藥條件，提出了桿式穿甲彈供彈過(guò)程沖擊力仿真方法，分析了主要零部件的受力情況，得出以下結(jié)論：

1)在轉(zhuǎn)動(dòng)供彈和直線供彈模式中，藥筒、彈托以及彈芯的等效應(yīng)力均小于其材料的屈服強(qiáng)度，供彈過(guò)程不會(huì)造成藥筒、彈托和彈芯破壞。

2)在轉(zhuǎn)動(dòng)供彈和直線供彈模式中，彈藥零部件中安全性系數(shù)最低的均為藥筒。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)供彈模式相比直線供彈模式中彈芯的等效應(yīng)力峰值更大，其應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，并且兩種模式中的最大應(yīng)力均出現(xiàn)G點(diǎn)。在原材料入廠檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)著重對(duì)該部位進(jìn)行無(wú)損探傷。