艦炮制導(dǎo)炮彈光學(xué)頭罩發(fā)射強度仿真*

高善清 王高朋

(解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

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艦炮制導(dǎo)炮彈光學(xué)頭罩發(fā)射強度仿真*

高善清 王高朋

(解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

位于艦炮電視制導(dǎo)炮彈前端的光學(xué)頭罩在發(fā)射過程中承受著復(fù)雜的載荷,很難計算得出光學(xué)罩應(yīng)力值的數(shù)值解析解。運用通用有限元軟件ANSYS,通過建立光學(xué)頭罩的有限元模型,簡化受力計算模型,得到光學(xué)頭罩在最高膛壓時刻的應(yīng)力分布云圖,依據(jù)材料的力學(xué)特性便可以對其進行強度校核,為光學(xué)頭罩設(shè)計工作中材料的選擇和結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

有限元; ANSYS; 應(yīng)力; 光學(xué)頭罩

Class Number TJ393

1 引言

艦炮電視制導(dǎo)炮彈是精確制導(dǎo)炮彈的一種,它采用電視制導(dǎo)技術(shù)引導(dǎo)彈丸對目標(biāo)進行精確打擊。由于艦炮的特殊性,艦炮電視制導(dǎo)炮彈采用了光學(xué)頭罩以保護彈載攝像頭在彈丸高速運動中與空氣摩擦致熱影響。

光學(xué)頭罩位于艦炮電視制導(dǎo)炮彈的最前端,相當(dāng)于導(dǎo)引頭光電系統(tǒng)“眼睛”的保護罩。它把大氣環(huán)境與彈載攝像頭隔離開來,同時目標(biāo)的輻射光能通過它可以到達攝像頭。本文所研究的艦炮電視制導(dǎo)炮彈采用130mm艦炮發(fā)射,在發(fā)射過程中,受膛內(nèi)壓力的作用,彈體將產(chǎn)生很大的加速度,使得光學(xué)頭罩在短時間內(nèi)承受14000g左右的瞬時超強過載,如果強度不夠就會發(fā)生光學(xué)頭罩破裂現(xiàn)象,使導(dǎo)引頭系統(tǒng)無法正常運行工作。考慮到光學(xué)頭罩受力環(huán)境的復(fù)雜性,解析法已經(jīng)不能解決此類問題。因此,本文采用有限元軟件ANSYS對光學(xué)頭罩的結(jié)構(gòu)強度進行分析,通過設(shè)定模型材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加外力,最后求解即可得到光學(xué)頭罩的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況,從而為設(shè)計工作中材料的選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)。

2 光學(xué)頭罩的計算模型

2.1 光學(xué)頭罩膛內(nèi)受力分析

制導(dǎo)炮彈發(fā)射時在膛內(nèi)所受到的載荷主要有發(fā)射藥氣體壓力、慣性力、裝填物壓力、彈帶壓力、不均衡力、摩擦力等。這些載荷中以發(fā)射藥氣體壓力(膛壓)為基本載荷。在發(fā)射藥氣體壓力作用下,彈丸在膛內(nèi)運動,獲得一定的加速度,并由此引起其他載荷。光學(xué)頭罩位于彈丸的最前端,主要受自身慣性力的作用,其值隨時間而變化,因此找到它的最大臨界狀態(tài)時的值,對于光學(xué)頭罩的設(shè)計有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 p-t曲線

圖2 a-t曲線

圖1是某型艦炮制導(dǎo)炮彈在全號裝藥情況下的膛壓-時間曲線,圖2是對應(yīng)的加速度-時間曲線。從圖中可以看出,膛壓最大的時刻出現(xiàn)在5.56ms,最大值為318.1MPa。由于一般所指最大膛壓是在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的數(shù)值,而考慮到實際作戰(zhàn)條件下的惡劣條件,發(fā)射時的藥溫會超過氣溫的最不利條件,相應(yīng)的最大膛壓也將改變[1～2]。一般取計算膛壓為

p=1.1pm

2.2 光學(xué)頭罩的受力計算模型

2.2.1 軸向慣性力

炮彈在發(fā)射過程中的軸向加速度為

式中,p為計算壓力,r為炮彈半徑,m為炮彈總質(zhì)量。

慣性力計算公式為

式中,mn為炮彈n-n斷面以前部分的質(zhì)量。

2.2.2 徑向慣性力和切向慣性力

由于彈丸的旋轉(zhuǎn)運動,將產(chǎn)生向心加速度,而引起徑向慣性力。隨著彈丸在膛內(nèi)的運動,速度越來越大,徑向慣性力也越來越大,直至炮口達到最大。切向慣性力是由彈丸的角加速度引起的。

由于徑向慣性力和切向慣性力與軸向慣性力相比小得多,而且本文所研究的艦炮制導(dǎo)炮彈在滑動彈帶的影響下旋轉(zhuǎn)速度比常規(guī)炮彈低很多,所以可以忽略徑向慣性力和切向慣性力對強度計算的影響。

2.3 光學(xué)頭罩的受力簡化

為了便于計算和分析,可對在高過載狀態(tài)下的受力模型進行必要的假設(shè)簡化,簡化計算應(yīng)對計算的結(jié)果影響不大。根據(jù)以往的計算經(jīng)驗,主要對光學(xué)整流罩模型進行了如下簡化假設(shè):

1) 載荷是軸對稱的。即彈底壓力和彈帶壓力的分布是均勻的,彈帶與身管之間無火藥氣體的泄露;

2) 艦炮制導(dǎo)炮彈在炮膛內(nèi)的運動比較理想,其各定心部與炮膛之間沒有相互作用;

3) 忽略彈丸前部的空氣阻力以及膛內(nèi)熱對光學(xué)頭罩的影響。

2.4 光學(xué)頭罩的材料特性

本文所研究的光學(xué)頭罩采用透明高分子復(fù)合材料丙烯酸酯,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

由于用于制導(dǎo)炮彈的光學(xué)頭罩要承受14000g左右的瞬時超強過載,所選光學(xué)頭罩的材料應(yīng)具備較高的抗壓強度。同時,光學(xué)頭罩具有一定的厚度和折射率,并且在標(biāo)準(zhǔn)條件下,光學(xué)頭罩厚度越小,光的透過能力越大,光束偏離原傳播方向的角度越小。因此,只有采用高強度透明材料才可以有效解決光學(xué)頭罩設(shè)計時強度和厚度的矛盾,使得光學(xué)頭罩在滿足強度要求的基礎(chǔ)上提高光學(xué)性能。

本文在研究時可以將光學(xué)頭罩的透明高分子材料視為線性材料,并且由于該材料是隨即取向的短纖維復(fù)合材料,沿各個方向的力學(xué)性能接近相同,可以當(dāng)做各向同性的彈性材料來處理。線性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下[3～4]:

{σ}={D}{ε}

式中,{σ}為應(yīng)力矢量,{D}為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣,{ε}為材料的應(yīng)變矢量。

3 光學(xué)頭罩膛內(nèi)結(jié)構(gòu)強度計算及分析研究

本文所研究的光學(xué)頭罩和導(dǎo)引頭之間是通過螺紋連接起來的,考慮到簡化計算,并且根據(jù)以往彈丸有限元分析計算結(jié)果,可以將它們之間的螺紋連接簡化為固定的緊連接件。圖3、圖4分別為光學(xué)頭罩以及連接后的實體圖。

圖3 光學(xué)頭罩

圖4 導(dǎo)引頭和光學(xué)頭罩連接

3.1 光學(xué)頭罩有限元模型的建立[5～10]

圖5 光學(xué)頭罩有限元模型

圖6 光學(xué)頭罩1/4有限元模型

由于光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)比較簡單,所以為了較真實地模擬出在瞬間高過載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況,本文對光學(xué)頭罩進行三維建模。在離散光學(xué)頭罩的幾何模型時,選用了單元20node95,該單元有二十個節(jié)點組成,每個節(jié)點有x、y、z三個方向移動的自由度,并且在保證精度的同時允許使用不規(guī)則的形狀,適用于曲線邊界的建模。最終光學(xué)頭罩的有限元模型如圖5、圖6所示,該有限元模型共生成45249個節(jié)點,10209個單元。

3.2 光學(xué)頭罩的應(yīng)力計算和分析

光學(xué)頭罩后斷面和導(dǎo)引頭前斷面相接觸,與導(dǎo)引頭的鋁合金材料相比,光學(xué)頭罩材料剛度要小得多,因此,計算光學(xué)頭罩強度時在導(dǎo)引頭和頭罩的接觸面上施加約束。光學(xué)頭罩在發(fā)射瞬間主要受到自身的慣性力作用,因為約束了接觸面,所以在計算時對光學(xué)頭罩施加自身慣性力作用即可。

經(jīng)計算所得光學(xué)頭罩在最大膛壓時的應(yīng)力分布云圖如圖7所示。由光學(xué)頭罩的應(yīng)力分布云圖可知,當(dāng)膛壓達到最大時,光學(xué)頭罩的最大應(yīng)力出現(xiàn)在有較大結(jié)構(gòu)突變的有效通光孔與螺紋交接處,其值為44.4MPa左右。而光學(xué)頭罩材料的強度極限為35.3MPa,說明這種結(jié)構(gòu)不是很合理,如果采用,則會由于應(yīng)力集中造成強度失效,從而可能影響導(dǎo)引頭正常工作,最終使彈丸偏離目標(biāo)。為了減小應(yīng)力集中,可以在應(yīng)力集中部位增加過渡圓弧,如圖8所示。圖9從左到右分別是增加半徑1mm、2mm、3mm過渡圓弧后的光學(xué)頭罩應(yīng)力分布云圖。各種情況的最大集中應(yīng)力列表如表2所示。

圖7 光學(xué)頭罩最大過載時的應(yīng)力分布云圖

圖9 增加過渡圓弧后的光學(xué)頭罩應(yīng)力分布云圖

rσ1mm37MPa2mm27.4MPa3mm23.8MPa

從以上的計算結(jié)果來分析,隨著圓弧半徑的增大,應(yīng)力集中有所下降,但隨著圓弧半徑的增大,再增大圓弧半徑對應(yīng)力集中的減小作用開始減弱。

4 錘擊試驗

4.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證光學(xué)頭罩是否滿足抗過載性能(20,000g)要求。

4.2 試驗條件

試驗裝置與器材:CL-50沖擊試驗臺(含DMSA沖擊放大器)、夾具、電源、示波器、監(jiān)視器。

4.3 試驗實施

1) 將DMSA沖擊放大器安裝在試驗臺上,并盡可能靠近中心位置。

2) 根據(jù)需加載的加速度載荷和沖擊脈寬選擇相對應(yīng)的彈性波形墊(置于沖擊座上)和波形塊(用螺釘緊固連接)。

3) 將光學(xué)頭罩用夾具緊固在臺面上。

4) 對光學(xué)頭罩加正向過載(20000g)。

圖10 光學(xué)頭罩錘擊試驗

4.4 試驗結(jié)果

完成對光學(xué)頭罩的20次沖擊(最高20000g),光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)無明顯變形,光澤度較好,透光性能滿足攝像機成像需要。

5 結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS對光學(xué)頭罩進行建模和仿真,可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考,較以前的工程計算有無可比擬的優(yōu)勢。

光學(xué)頭罩在發(fā)射過程中其有效通光孔與螺紋交接的部位存在著較大的應(yīng)力集中,這是由于此部位有較大的結(jié)構(gòu)突變引起的,這就要求光學(xué)頭罩在設(shè)計中盡量采取圓弧過渡,減少應(yīng)力集中區(qū)域。

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Firing Strength Simulation of the Optical Window for Naval Gun Guided Projectile

GAO Shanqing WANG Gaopeng

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031)

The optical window located in the front of naval gun TV guided projectile bears the complex load in the process of firing. It is difficult to calculate the optical window’s stress value of the numerical analytic solution. Using the general finite element software ANSYS, the optical window’s finite element model is established, mechanical calculation model is simplified, the stress distribution cloud of the optical window is got when its bearing the maximum bore pressure. Based on the mechanical properties of material, it can check the strength of the optical window and provide the theoretical basis of selecting material and optimizing the structure in design work.

finite element, ANSYS, stress, optical window

2014年10月11日,

2014年11月27日

國家自然科學(xué)基金項目(編號:11172331)資助。

高善清,男,碩士,教授,研究方向:武器系統(tǒng)與運用工程。王高朋,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)與運用工程。

TJ393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.042