解決底排火箭復合增程彈戰斗部與發動機連接強度技術關鍵*

倪慶杰,曹成壯,孫 勇,紀雪松

(遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045)

解決底排火箭復合增程彈戰斗部與發動機連接強度技術關鍵*

倪慶杰,曹成壯,孫 勇,紀雪松

(遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045)

國內某底排火箭復合增程彈型號項目,研制初期將戰斗部和火箭發動機殼體設計為分體結構,在靶場強度射擊試驗過程中,出現戰斗部與火箭發動機殼體連接螺紋損壞的現象,為解決螺紋連接失效問題,通過試驗現象及理論計算分析,采取增加硬度較高的鋼墊和上緊力矩等措施,通過炮射試驗驗證,徹底解決了這一技術關鍵。整個失效分析過程和解決途徑對類似技術問題有一定的參考價值。

解決;復合增程彈;強度;關鍵

0 問題提出

為增加火炮的射程,國內外發展了底排減阻增程和火箭助推增程的復合增程彈,可大幅度提高射程。圖1為南非研制的155 mm加榴炮底排火箭復合增程彈彈丸結構圖,其戰斗部與火箭發動機殼體采用整體結構,該結構的優點是戰斗部與發動機殼體為一體結構,彈丸的同軸性好,缺點是加工、裝配難度大。

圖1 南非155 mm底排火箭復合增程彈彈丸結構圖

國內在進行某型號底排火箭復合增程彈研制時,將戰斗部與火箭發動機設計為分體結構,其目的是降低產品加工及裝配難度,同時戰斗部殼體可以選用破碎性能好的彈鋼,發動機殼體可以選用延伸性能好的材料,既保證戰斗部的威力,同時提高發動機工作性能。分體方案的底排火箭復合增程彈彈丸結構如圖2。

圖2 國內某型號研制的底排火箭復合增程彈彈丸結構圖

產品研制中,在彈體及零部件發射強度試驗時,對射擊后回收彈丸檢查時發現,戰斗部與火箭發動機連接螺紋處出現了膨脹的現象,有火炮陽線印痕(見圖3)。

圖3 試驗回收照片

圖4 射擊后回收的彈丸解剖圖

將射擊后回收的彈丸解剖檢查,發現戰斗部與火箭發動機殼體的連接螺紋已被剪切(見圖4),戰斗部底端與火箭發動機殼體接觸處被壓出一個環形溝痕,深度在1.5～2 mm。

1 理論計算分析

1.1 有限元法進行結構強度分析

方案設計時,采用ANSYS有限元分析軟件對彈丸進行結構強度分析。

由于彈丸結構具有軸對稱的特征,載荷也是軸對稱的,將彈丸視為軸對稱問題可使問題簡化,圖5為其計算模型結構圖。

圖5 計算模型結構圖

底排藥與增程殼體間、底排藥與底螺間、底螺與增程殼體間、炸藥與彈體間采用了接觸算法,摩擦系數取為0.2。

計算用火藥氣體壓力數據選取膛內彈底最大壓力來計算發射條件下的彈體強度與炸藥安定性,取炮口最大壓力來計算炮口處的底排底螺殼體的強度。下導帶以前的彈丸部分不受火藥氣體作用,下導帶以后的彈丸部分受力如圖6所示。

圖6 計算彈底受力圖

戰斗部殼體的最大等效應力出現于與火箭發動機殼體的觸接處,為827 MPa,且為由于接觸引起的集中應力。戰斗部殼體的計算結果見圖7。

火箭發動機殼體的最大等效應力為1 538 MPa,出現于燃燒室內壁底部拐角處,應與應力集中有關。兩導帶槽間區域的等效應力在890～1 050 MPa之間。雖然燃燒室內壁底部拐角處的最大等效應力為1 538 MPa,超過了要求的屈服極限1 350 MPa,但由于發射過程是一個瞬態過程,材料在動態條件下其承受能力可提高30%左右,因此火箭發動機殼體的強度滿足要求。計算結果見圖8。

圖7 最大壓力時刻彈體應力分布圖

圖8 最大壓力時刻火箭發動機殼體應力分布圖

根據有限元計算結果,將戰斗部殼體的屈服強度設計為大于950 MPa,發動機殼體的屈服強度設計為大于1 350 MPa。

1.2 戰斗部與發動機殼體的上緊力矩分析

由于戰斗部殼體與火箭發動機殼體有加工公差,裝配后,戰斗部與發動機殼體間有0.1～0.4 mm的間隙,若上緊力矩不夠,發射時,慣性力產生的旋轉力矩大于上緊力矩,戰斗部與發動機殼體相對旋轉,較大的旋轉力矩在戰斗部底部沖壓出一環形溝,戰斗部與發動機殼體間產生軸向位移,破壞螺紋。

發射時,戰斗部產生的最大慣性力矩計算公式為:

Mg=Cn·α

式中:Cn為戰斗部(含引信和炸藥)的極轉動慣量;α為最大膛壓瞬間戰斗部的角加速度,α=Pπ2R/m·η。其中,P為最大膛壓,R為彈丸半徑,m為彈丸質量,η為火炮纏度。

代入數據計算,Mg=11 300 N·m。

由計算得,該產品的上緊力矩需大于11 300 N·m才能保證不發生相對旋轉。戰斗部的極轉動慣量越大、發射膛壓越大、火炮纏度越小,產生的慣性力矩越大。

2 采取措施

由以上分析得知,戰斗部與火箭發動機殼體連接螺紋被破壞的原因是:發射時,戰斗部與火箭發動機殼體發生相對旋轉,較大的沖擊力將戰斗部底部壓出一個溝,戰斗部與火箭發動機殼體間產生軸向位移,將螺紋破壞。

為此提出兩個解決方案:

a)在戰斗部與火箭發動機殼體間增加一個硬度較高的鋼墊(強度大于1 500 MPa),保證在沖擊力作用不壓出深溝,避免產生軸向位移。鋼墊結構圖見圖9。

圖9 鋼墊結構圖

b)通過加大裝配力臂、增加裝配人員的辦法,保證上緊力矩大于慣性力矩。但依靠工裝、用人工上緊的方法,達到11 300 N·m的上緊力矩難度較大。

經多次試驗驗證,加鋼墊板方案滿足要求(射擊后回收的彈丸見圖10)。不加鋼墊方案試驗,個別發彈丸仍出現連接螺紋被破壞的情況。經過綜合平衡,決定采用增加硬度較高的鋼墊板方案。

圖10 加鋼墊片方案射擊后回收彈丸照片

3 結論

通過理論計算分析,對于極轉動慣量較大的連接部件,除了要計算接觸應力外,還要考慮慣性旋轉力矩的影響,保證上緊力矩大于旋轉慣性力矩。在上緊力矩較大,實現較困難時,可考慮增加硬度較高的鋼墊的措施加以解決。

[1] 彈藥技術叢書編輯部. 特種彈設計與制造實踐 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1999.

[2] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東暉, 等. 彈丸設計理論 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1985.

[3] 彈藥技術叢書編輯部. 榴彈設計與制造實踐 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1999.

[4] 西北工業大學, 北京航空學院, 南京航空學院合編. 理論力學 [M]. 北京: 人民教育出版社, 1981.

[5] 郭錫福, 申國太. 彈丸發射動力學 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1995.

Key Technology of Connecting Strength of Warhead and Engine of BB & Rocket Long-range Compounded Projectile

NI Qingjie,CAO Chengzhuang,SUN Yong,JI Xuesong

(Liaoshen Industries Croup Co. Ltd, Shenyang 110045, China)

Warhead and rocket engine case of one domestic BB & Rocket long-range compounded projectile were designed as separated structure in its initial researching state and during strength test in shooting range, the threads connecting warhead with rocket engine case is damaged. In order to resolve the problem of threads damaging, through testing, theoretical calculation and analysis, the methods of adding hard steel shim and tightening moment were adopted, the technical problem was conquered. The failure analysis process and the resolving method can be as a guide for similar technical problems.

resolve; long-range compounded projectile; strength; key

2014-07-15

倪慶杰(1963-),男,遼寧沈陽人,研究員,碩士,研究方向:彈藥工程。

TJ413.4

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