基于Autodyn的單兵平衡拋射武器彈筒分離過程研究*

劉云峰,周曉東,趙曉利,石蔚春,甘小紅

(1　重慶軍代局駐356廠軍事代表室,昆明　650114;2　解放軍軍械工程學(xué)院,石家莊　050003;3　南京軍代局駐9373廠軍事代表室,安徽蚌埠　233010;4　國營9373廠,安徽蚌埠　233010)

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基于Autodyn的單兵平衡拋射武器彈筒分離過程研究*

劉云峰1,2,周曉東2,趙曉利2,石蔚春3,甘小紅4

(1重慶軍代局駐356廠軍事代表室,昆明650114;2解放軍軍械工程學(xué)院,石家莊050003;3南京軍代局駐9373廠軍事代表室,安徽蚌埠233010;4國營9373廠,安徽蚌埠233010)

摘要:由于單兵平衡拋射武器結(jié)構(gòu)的特殊性,彈丸在出筒體前會有彈筒分離過程,這與傳統(tǒng)武器系統(tǒng)有較大差異,且此過程速度快、分離過程復(fù)雜、擾動較大,為此文中在充分研究該武器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和彈筒分離過程的基礎(chǔ)上,運(yùn)用Autodyn有限元仿真軟件,對彈筒分離過程進(jìn)行了仿真,仿真的結(jié)果與實(shí)際情況吻合性較好,可為研究該武器的彈丸速度等問題提供重要參考。

關(guān)鍵詞:平衡拋射武器;Autodyn;彈筒分離;速度

0引言

從近幾場局部戰(zhàn)爭可以看出,陸軍的地位作用已在悄然發(fā)生變化,更有專家學(xué)者認(rèn)為未來陸軍的主戰(zhàn)場是城市,城市戰(zhàn)的戰(zhàn)斗空間狹窄、地形復(fù)雜,傳統(tǒng)的大型武器和單兵火箭筒不便使用[1],單兵平衡拋射武器應(yīng)運(yùn)而生。該武器系統(tǒng)屬一次性使用的肩射武器,由單兵攜行,不占編制,可在碉堡坑道、掩體和建筑物等有限空間發(fā)射,具有微光、微煙、微聲等微痕跡發(fā)射的特點(diǎn),是未來城市必備武器之一[2]。

與傳統(tǒng)武器不同,該武器的彈丸在出筒口時有彈筒分離的過程,此過程速度快、時間短、作用復(fù)雜,為摸清此過程的作用機(jī)理,文中針對80 mm口徑的單兵平衡拋射的彈筒過程進(jìn)行了研究和仿真,得到的結(jié)論可為開展相關(guān)研究、優(yōu)化設(shè)計和相關(guān)保障提供理論基礎(chǔ)。

1彈筒分離過程

該武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。發(fā)射器發(fā)射時,被點(diǎn)燃的火藥產(chǎn)生的燃?xì)饫瓟嗨幑懿⑼苿忧盎钊蛷椡琛⒑蠡钊推胶怏w分別向前后運(yùn)動,在筒口處活塞與變形環(huán)發(fā)生沖擊變形,為防止在攜行和運(yùn)輸過程中彈丸在筒內(nèi)隨意晃動,彈丸與前活塞、平衡體與后活塞由預(yù)置削弱槽的螺紋連接,在筒口制動的同時彈丸與前活塞、平衡體與后活塞在螺紋連接處拉斷,彈丸和平衡體分別飛出發(fā)射筒[3-4]。

將彈丸(或平衡體)飛出發(fā)射筒后留在發(fā)射筒(包括發(fā)射筒)的所有部件稱為筒,則此過程就可稱為彈筒分離過程。此過程經(jīng)歷的時間和距離都非常短,僅為1～2 cm,利用高速攝影或X光等手段可以了解此過程,但成本很高且作用機(jī)理與受力情況不易知道,為此需要進(jìn)行有限元仿真,這也就是文中研究的意義所在。

圖1　平衡拋射武器結(jié)構(gòu)示意圖

2Autodyn仿真

2.1材料選擇與網(wǎng)格劃分

由于模型嚴(yán)格軸對稱,所以文中建立的是1/4三維立體模型,模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,劃分網(wǎng)格時綜合運(yùn)用了Hypermesh和Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5],模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。文中在拉斷處保持直徑和材料一致的前提下將長度人為加大,這樣利于觀察變形過程。

圖2　模型的網(wǎng)格劃分

2.2材料的本構(gòu)關(guān)系

彈丸在拉斷處為大變形,材料服從非線性等向強(qiáng)化規(guī)律,這種材料的材料模型特別適合大變形分析,Voce強(qiáng)化準(zhǔn)則的非線性等向強(qiáng)化規(guī)律[6]由式(1)給出:

(1)

式中:σ0為彈性極限,即屈服應(yīng)力;R0、R∞、b是與等向強(qiáng)化材料有關(guān)的材料參數(shù)。

2.3仿真計算

將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Autodyn軟件,在Y軸和Z軸施加對稱約束,文中假設(shè)在武器發(fā)射時發(fā)射筒不動,故在變形環(huán)底端施加約束,保持在制動過程中變形環(huán)不動。給彈丸和活塞在X軸上賦初速-180 m/s。由于Autodyn軟件自帶的材料模型非常豐富且參數(shù)真實(shí)可信,故本模型直接采用軟件中自帶的材料。彈丸和活塞材料采用7A04高強(qiáng)硬鋁,變形環(huán)材料采用A3鋼,發(fā)射筒較活塞和變形環(huán)硬度大很多所以設(shè)為剛體。仿真結(jié)果見圖3～圖5。

圖3　60 μs時刻情況

圖4　150 μs時刻情況

圖5　190 μs時刻情況

從圖3～圖5中可以看出,彈筒分離時刻大約在從活塞與變形環(huán)接觸后的第190 μs,此時變形環(huán)的變形已基本到位。

圖6　拉斷處的受力情況

圖7　彈丸的速度變化情況

圖8　活塞速度變化情況

從圖6可以看出,拉斷處的拉力是震蕩增加的,表明拉斷過程存在擾動,此擾動可能來源于拉斷處材料抵抗拉斷的抗力和活塞壓縮變形環(huán)的制動力,拉斷處壓強(qiáng)的峰值是600 MPa;從圖7可以看出,彈丸的速

度變化也是震蕩變化,這與拉斷處的受力情況一致,彈丸飛出時的速度為179.3 m/s,速度下降僅為0.7 m/s,而此時活塞的速度從圖8中可以看出為60 m/s,表明在彈丸飛出筒體后,活塞會繼續(xù)運(yùn)動壓縮變形環(huán),且彈丸的速度損失特別小,這樣的連接既保證了彈丸在筒內(nèi)穩(wěn)固不晃動,又保證了彈丸有足夠的射程。

3結(jié)論

文中針對單兵平衡拋射武器的彈筒分離過程進(jìn)行了研究,并結(jié)合Autodyn仿真軟件進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果較理想,摸清了在此過程中彈丸、拉斷處、活塞的速度和受力情況,結(jié)果表明彈丸的速度制動為180 m/s時,彈丸離筒速度為179.3 m/s,活塞此時速度為60 m/s,拉斷處的壓強(qiáng)峰值為600 MPa,可為開展相關(guān)研究提供有力理論支撐。

參考文獻(xiàn):

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[3]王本河, 徐乃成, 甘小紅, 等. 平衡拋武器制動機(jī)構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2009, 29(4): 161-163.

[4]洪黎, 張合, 李豪杰, 等. 某單兵火箭彈作用時間自適應(yīng)修正方法 [J]. 儀器儀表學(xué)報, 2013, 8(8): 1916-1920.

[5]王鈺棟. HperMesh & HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012: 123-131.

[6]張偉, 肖新科, 魏剛. 7A04鋁合金的本構(gòu)關(guān)系和失效模型 [J]. 爆炸與沖擊, 2011, 31(1): 81-87.

*收稿日期:2014-12-26

作者簡介:劉云峰(1990-),男,黑龍江齊齊哈爾人,助理工程師,碩士,研究方向:彈藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)評估。

中圖分類號:TJ32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Research on Projectile-cartridge Separation of Equilibrium Launcher Based on Autodyn

LIU Yunfeng1,2,ZHOU Xiaodong2,ZHAO Xiaoli2,SHI Weichun3,GAN Xiaohong4

(1Military Representative Office of Chongqing Military Representative Bureau in No.356 Factory, Kunming 650114, China;2Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China; 3Military Representative Office of Nanjing Military Representative Bureau in No.9373 Factory, Anhui Bengbu 233010, China; 4No.9373 Factory, Anhui Bengbu 233010, China)

Abstract:According to structure speciality of equilibrium launcher, the projectile will experience projectile-cartridge separation before leaving the cartridge, this is different from traditional weapon. At the same time, the velocity is high, the separation process is complex, the disturbance is also big. In the paper, finite-element code Autodyn was used to simulate the projectile-cartridge separation process on the basis of research on weapon structure characteristics and the projec tile-cartridge separation process. This study shows that the theory is similar to the experiment. This study can provide reference for research on projectile velocity.

Keywords:equilibrium launcher; Autodyn; projectile-cartridge separation; velocity