炮口阻攔裝置設(shè)計(jì)與脫殼過程數(shù)值模擬

楊 凱,江 坤

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

大口徑平衡炮是一種試驗(yàn)加載裝置,可發(fā)射大尺寸、大質(zhì)量的發(fā)射元件。在平衡炮發(fā)射彈丸時(shí),為了適應(yīng)炮管尺寸,要設(shè)計(jì)一種彈托,彈托的外徑與炮管內(nèi)口徑一致,彈托對彈丸進(jìn)行定位和支撐。在試驗(yàn)中,彈托如果不分離會(huì)造成彈丸額外附加質(zhì)量,進(jìn)而影響彈道的性能和侵徹效果[1]。

脫殼方法可分成2種:①氣動(dòng)分離技術(shù),②機(jī)械式脫殼技術(shù)。前者利用空氣中摩擦阻力將彈托與彈丸分離。然而在低速發(fā)射中,氣動(dòng)力不足以將彈托分離。與氣動(dòng)分離技術(shù)相比,機(jī)械式脫殼技術(shù)只需克服彈丸和彈托之間的摩擦力。該技術(shù)利用一個(gè)帶有通孔的裝置,彈丸可以順利通過而彈托被該裝置攔截下來。本文將采用機(jī)械式脫殼方法進(jìn)行彈托分離。

目前,大多數(shù)研究是利用輕氣炮發(fā)射裝置在超高速情況下進(jìn)行彈托分離[2-4],并未見彈丸和彈托在平衡炮炮口實(shí)現(xiàn)彈托分離的公開報(bào)道。故在平衡炮低速加載試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)了一種炮口阻攔裝置,既能實(shí)現(xiàn)彈托分離又能充分發(fā)揮平衡炮的發(fā)射性能。

1 脫殼過程設(shè)計(jì)方案

1.1 炮口阻攔裝置設(shè)計(jì)

炮口阻攔裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該炮口阻攔裝置與炮管同軸,通過16個(gè)鋼螺栓壓緊固定在炮口延伸段。炮口阻攔裝置是由帶有通孔的阻攔環(huán)和阻攔裝置本體組成,兩者通過六角頭鋁螺栓連接。為了保證彈丸能夠順利通過而彈托被攔截,該通孔內(nèi)徑尺寸比彈丸直徑略大,比彈托直徑小。為了防止火藥氣體在密閉空間內(nèi)堆積,在炮口阻攔裝置中部開了泄壓孔,大量火藥氣體從泄壓孔處流出,火藥氣體對彈托的推動(dòng)作用極大降低,因此本文忽略火藥燃?xì)獾淖饔眯Ч?/p>

圖1 炮口阻攔裝置

1.2 彈托設(shè)計(jì)

為改善彈丸彈道性能,延長炮管的壽命,在確保彈托發(fā)射強(qiáng)度的前提下,彈托材料要輕,與炮管間的摩擦系數(shù)要小且材料需耐磨[5]。因此,彈托應(yīng)選擇強(qiáng)度高,密度小,韌性好,耐磨性強(qiáng),具有潤滑性能的尼龍材料[6]。為了實(shí)現(xiàn)彈丸的定位與支撐,設(shè)計(jì)了如圖2所示的彈托。彈托分為前托和底托,前托主要用于定位作用,而后托起到支撐的作用,前托和后托通過膠水粘合。為了保證彈托和平衡體能同時(shí)出炮口,彈托的總質(zhì)量不宜過小。彈丸與彈托裝配為過盈配合,彈丸直徑略大于孔直徑。

圖2 彈托剖視圖

圖3 前托實(shí)物圖

1.3 脫殼過程

彈托飛出炮管后進(jìn)入阻攔裝置,與前端阻攔環(huán)發(fā)生碰撞,導(dǎo)致彈托動(dòng)能損失,同時(shí)螺栓因受到?jīng)_擊而消耗能量。彈丸脫離彈托飛向靶板,而彈托推動(dòng)阻攔環(huán)一起運(yùn)動(dòng),整體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增大,彈托速度明顯下降,最終彈托被阻攔環(huán)牽制,彈托和阻攔環(huán)以較低的速度飛出去。本設(shè)計(jì)不同于常規(guī)的攔截器,常規(guī)的攔截器安裝后整個(gè)裝置是固定的,若遇到較大的沖量,對整個(gè)裝置有較大的沖擊,阻攔裝置和炮管容易受到損壞。本阻攔裝置前端阻攔環(huán)采用可滑動(dòng)的分離方式,若彈托沖量過大,鋁螺栓將被剪切掉,這樣可以有效避免阻攔裝置和炮管產(chǎn)生劇烈振動(dòng)而損壞裝置。

2 炮口阻攔裝置試驗(yàn)

試驗(yàn)由平衡炮、炮口阻攔裝置、靶體、高速錄像機(jī)等組成。平衡炮低速發(fā)射試驗(yàn)布局示意圖如圖4所示。2臺高速攝像機(jī)放在側(cè)翼,用來記錄彈托分離過程及彈丸的飛行姿態(tài)。

圖4 試驗(yàn)布局

圖5為不同時(shí)間高速攝像試驗(yàn)過程,定義0 ms為彈托碰撞到阻攔環(huán)的前一刻。設(shè)定頻率為5 000 s-1,并取1 ms作為速度讀取周期,速度計(jì)算公式為

圖5 不同時(shí)間高速攝像試驗(yàn)過程

(1)

(2)

式中:l為被測物體的飛行距離,lb為標(biāo)桿的實(shí)際長度,lx為被測物體像素點(diǎn)間距離,lbx為標(biāo)桿像素點(diǎn)間距離。

通過計(jì)算得出,彈托攜帶配重彈以100 m/s左右速度撞擊阻攔裝置,隨后配重彈以94.3 m/s速度飛出,彈托速度為29.8 m/s,隨后彈丸擊中目標(biāo)靶;前彈托撞擊阻攔環(huán)后,受阻攔環(huán)作用產(chǎn)生環(huán)形剪切,阻攔環(huán)受撞擊而拋出。

3 彈托分離過程數(shù)值模擬

3.1 材料選擇與網(wǎng)格劃分

由于模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,Autodyn軟件建模困難,因此,利用workbench軟件里New Spaceclaim Geometry和mesh完成建模和網(wǎng)格劃分的預(yù)處理,然后導(dǎo)入Autodyn軟件進(jìn)行計(jì)算及后處理。

彈托采用尼龍6材料,密度為1.14 g/cm3,屈服應(yīng)力為50 MPa。如圖6所示,對彈托采用Sphere of Influence局部網(wǎng)格細(xì)化方法,通過端部加密,既減少仿真計(jì)算時(shí)間,又可保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。建模中彈丸設(shè)為剛體,彈托和彈丸間動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15[7]。

圖6 彈托網(wǎng)格劃分

炮口阻攔裝置的材料選用45#鋼,密度ρ=7.85 g/cm3,彈性模量取209 GPa,泊松比取0.269。如圖7所示,對阻攔環(huán)受碰撞處進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖7 阻攔裝置網(wǎng)格劃分

3.2 材料模型

狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型、侵蝕模型[8]的選擇直接影響彈托分離過程數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

彈托和阻攔裝置狀態(tài)方程均采用Shock方程,Shock方程是沖擊碰撞方面最經(jīng)典的狀態(tài)方程,其模擬結(jié)果相比于其他狀態(tài)方程等更為準(zhǔn)確[9]。

Shock方程是基于Rankine-Hugoniot曲線和Mie-Gruneisen形式的狀態(tài)方程。其狀態(tài)方程表達(dá)式為

p=pH+γρ(e-eH)

(3)

式中:p,e分別為被壓縮物體的壓力和內(nèi)能;pH,eH分別為基于Rankine-Hugoniot曲線的被壓縮物體的壓力和內(nèi)能;γ為Gruneisen常數(shù);ρ為材料密度。

(4)

(5)

(6)

式中:ρ0為物體在絕對零度時(shí)的密度;s,c0為材料系數(shù)。

采用Johnson-Cook模型作為阻攔裝置的強(qiáng)度模型[10],該模型屈服應(yīng)力會(huì)隨著溫度和應(yīng)變而改變,具體表達(dá)式為

(7)

(8)

式中:Tr,Tm分別為室溫和熔點(diǎn)溫度。

彈托強(qiáng)度模型采用Von Mises模型:

(9)

也可以寫成:

(10)

式中:σ1,σ2,σ3為主應(yīng)力;σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx為應(yīng)力分量。

彈托采用Geometric Strain作為失效模型和侵蝕模型的判斷標(biāo)準(zhǔn):

(11)

式中:εeff為有效應(yīng)變;εxx,εyy,εzz,εxy,εyz,εzx為應(yīng)變分量。

當(dāng)Geometric Strain的值設(shè)置為1.2時(shí),單元出現(xiàn)失效。此時(shí),仿真模擬的效果跟試驗(yàn)現(xiàn)象高度吻合。

3.3 接觸算法

采用Lagrange/Lagrange接觸耦合算法模擬彈托與阻攔裝置的碰撞。Autodyn有2種接觸算法:①External Gap接觸算法,②Trajectory接觸算法。

External Gap接觸算法限制了時(shí)間步長,即在1個(gè)計(jì)算時(shí)間步長內(nèi),表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接觸檢測區(qū)域的行程不能超過20%,而且在定義接觸的Part間需要預(yù)留出搜索空間。Trajectory接觸算法適用于所有三維非結(jié)構(gòu)求解。相對于External Gap接觸算法,Trajectory接觸算法在建立復(fù)雜的三維幾何模型時(shí)更加容易,無需考慮接觸檢測區(qū)域,在仿真之前不用預(yù)留出搜索空間。Trajectory接觸算法通過追蹤節(jié)點(diǎn)和面的軌跡來檢測節(jié)點(diǎn)和面的接觸,沒有因?yàn)榻佑|而對時(shí)間步長進(jìn)行限制,在仿真性能方面有了顯著的提升。

利用Trajectory接觸算法得出的仿真結(jié)果精度較高,而且求解速度快[12]。因此,與External Gap接觸算法相比,Trajectory接觸算法有明顯的優(yōu)勢。

3.4 仿真計(jì)算

本文假設(shè)平衡炮發(fā)射彈丸時(shí)炮管不動(dòng),對炮管施加水平方向約束,且在整個(gè)脫殼過程中炮管保持不動(dòng);彈托碰撞到阻攔環(huán)的前一刻定義為0時(shí)刻,通過試驗(yàn)時(shí)的高速攝像讀出此時(shí)彈丸和彈托的速度為100 m/s,在仿真中彈丸和彈托在水平方向同樣賦予100 m/s的初速。

圖8為彈托分離過程。由圖可以看出,當(dāng)初速為100 m/s時(shí),0.42 ms時(shí)達(dá)到鋁螺栓的剪切壓力,鋁螺栓被剪切,阻攔環(huán)開始運(yùn)動(dòng)。在4.5 ms時(shí),彈丸完全不受彈托和阻攔環(huán)的干擾。

圖8 彈托分離過程

如圖9所示,彈托撞擊阻攔環(huán)后,在阻攔環(huán)作用下產(chǎn)生環(huán)形剪切,該仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相似,驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

圖9 彈托被剪切

圖10為初速100 m/s時(shí)彈丸和彈托速度變化。由圖可見,脫殼過程結(jié)束后,仿真所得的彈丸與彈托分離后彈托速度為27.98 m/s,而試驗(yàn)所得的彈丸與彈托分離后彈托速度為29.8 m/s。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差6.1%;仿真所得的彈丸與彈托分離后彈丸速度為93.12 m/s,試驗(yàn)所得的彈丸與彈托分離后彈丸速度為94.3 m/s,二者相差1.25%。由此可見,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明該方法是可靠的。

圖10 初速為100 m/s時(shí)彈丸和彈托速度變化

表1為不同速度下彈托應(yīng)變,從表1可以看出,當(dāng)初速分別為100 m/s,150 m/s時(shí),彈托對阻攔環(huán)影響很小,阻攔環(huán)仍可重復(fù)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)速度為200 m/s時(shí),阻攔環(huán)開始出現(xiàn)輕微變形;當(dāng)速度達(dá)到300 m/s時(shí),在彈托的沖擊下阻攔環(huán)內(nèi)徑端面處發(fā)生較大的塑性變形,需要更換阻攔環(huán)。

表1 不同速度下彈托應(yīng)變

表2為不同初速彈丸和彈托脫離干擾時(shí)的速度以及速度差,從表2可以看出,彈托速度降低了70%左右,彈丸和彈托的速度差足以使彈托分離。

表2 不同初速彈丸和彈托脫離干擾時(shí)的速度以及速度差

在彈托與阻攔環(huán)碰撞過程中,沖擊波會(huì)快速傳播到彈托底部,剪切掉的彈托材料會(huì)反方向飛散。因此被剪切掉的彈托碎片不會(huì)隨彈丸飛向靶板。當(dāng)彈丸和彈托間沒有機(jī)械作用力時(shí),彈丸不受干擾,此時(shí)彈丸質(zhì)心距炮口水平距離如表3所示。

表3 彈丸質(zhì)心距炮口水平距離

由表3可以明顯看出,當(dāng)彈丸初始速度為150 m/s時(shí),彈丸飛出阻攔裝置96.81 mm時(shí),就不受彈托和阻攔環(huán)的干擾,相比于其他速度的情況,此時(shí)彈托分離效果較好,彈托和阻攔環(huán)對彈丸的彈道軌跡影響較小。

如果發(fā)射速度過大,彈托外圈會(huì)被阻攔環(huán)全部剪切掉,彈托未被剪切的部分隨著彈丸一起飛出,這就導(dǎo)致彈托與彈丸無法分離。如果發(fā)射速度過低,在彈丸與彈托間摩擦力的作用下,阻攔環(huán)無法將彈丸與彈托分開。

分析彈丸和彈托著靶時(shí)的分離效果,可根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算出彈丸和彈托在垂直方向的著靶落差:

x=vt

(12)

(13)

阻攔裝置垂直方向距地面1.25 m,水平方向距離靶板15 m,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同初速時(shí)彈丸和彈托垂直方向著靶落差

從表4可以看出,當(dāng)初始速度為100 m/s時(shí),彈丸與彈托分離后彈托速度不足以撞到靶板,彈托掉落在靶板前0.87 m處。隨著初始速度的提高,彈托均撞擊到靶板,彈托下落距離越來越小,彈托分離的效果變差。故在本文設(shè)計(jì)的炮口阻攔裝置下,當(dāng)初始速度為100～150 m/s時(shí),脫殼效果較好。

4 結(jié)論

本文結(jié)合了平衡炮低速加載試驗(yàn)和Autodyn仿真軟件2種方法,對脫殼過程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合,仿真模擬了彈托分離過程并獲得了彈丸、彈托和阻攔裝置的速度、位移等數(shù)據(jù);炮口阻攔裝置設(shè)計(jì)合理,采用剪切螺釘和阻攔環(huán)的方式,有效避免了沖擊對阻攔裝置和炮管造成的損壞,且彈托分離效果理想,故采用本文方法,可根據(jù)初速設(shè)計(jì)合理的阻攔裝置。本文結(jié)果為開展相關(guān)研究提供了理論參考。