有限空間筒式武器制動系統瞬態動力學分析*

張永剛, 楊淑良

(江西長江化工有限責任公司, 江西九江 332005)

有限空間筒式武器制動系統瞬態動力學分析*

張永剛, 楊淑良

(江西長江化工有限責任公司, 江西九江 332005)

文中采用有限元方法對80 mm有限空間筒式武器制動系統發射過程進行了仿真計算,比較了10#鋼、20#鋼、35#鋼不同材料變形環的吸能效果。結果表明變形環材料采用20#鋼使系統碰撞作用時間最長,活塞移動距離最大,具有最強的吸收沖擊能量能力,這樣就使得系統的軸向拉力也最小。綜合計算結果,變形環材料選擇使用20#鋼。最后對三種材料制造的變形環進行了實彈射擊試驗研究,試驗結果表明仿真計算是正確可行的。

有限元;有限空間;仿真;動態

0 引言

采用平衡拋射方式發射有限空間筒式武器[1-2]，發射時具有“四無二微”的特點,即無后坐力、無煙塵、無沖擊波、無閃光和微聲、微紅外輻射,因此是未來城市攻堅戰、隱蔽戰、近距離遭遇戰武器的重要發展方向之一。發射時活塞對變形環和制動環瞬間產生巨大沖擊力,使得軸向制動對系統安全至關重要。要充分發揮制動系統的制動效能,就要對制動系統的結構和材料進行最佳優化設計。蔡慶榮[3]對制動環的擠進過程進行了準靜態和動態試驗研究,并對擠進過程從理論方面進行了一些探索性研究,但該制動系統沒有變形環;沈磊[4]則進一步對活塞和制動環進行了全過程的仿真計算,得到了所關心參量的時間歷程變化過程,并研究了該系統各部件的效能。

文中采用ANSYS/LS-DYNA有限元[5]軟件對80 mm有限空間筒式武器制動系統在發射過程中不同時刻的應力、應變進行仿真計算,研究系統的軸向力、位移、速度、能量耗散等物理量的動態[6-7]變化過程,比較了不同材料變形環的吸能效果,為制動結構的設計和改進提供理論依據,最后再進行實彈射擊試驗以驗證理論計算結果。

1 制動系統瞬態動力學仿真分析

1.1 制動系統有限元建模

制動系統由連接環、制動環、活塞、變形環和連接桿組成(如圖1所示)。其中連接環通過連接結構和膠接的形式與復合材料筒身連接成一體并組成復合材料發射筒,這里為了減小計算量,復合材料筒身沒有考慮在內。為了減少計算量,彈采用一個尺寸很小的圓柱體代替,但密度放大使其質量與真實彈相同。制動環與連接環、連接桿與活塞和彈實際采用螺紋連接,建模時去除螺紋采用膠接(glue)命令將連接環與制動環連接為一體。為了在活塞上施加壓力,即火藥爆炸形成的內壓,建模時在活塞外表面上貼合了一層0.05 mm厚的壓力面。

變形環的塑性變形吸能效果是有限空間發射器軸向安全制動性能的關鍵,其材料性能對變形環的塑性變形吸能效果影響很大。前期先后選用了鋁合金(7A04-T6)、10#鋼、A3鋼、20#鋼、35#鋼、45#鋼作為變形環材料用彈道炮進行試驗,根據實驗結果優先選擇10#鋼、20#鋼、35#鋼作為變形環材料。仿真計算時變形環材料設定為10#鋼(20#鋼、35#鋼后面再進行對比仿真分析),連接環、制動環、活塞為鋁合金7A04-T6,連接桿為20#鋼,壓力面為鋁合金7A04-T6,上述部件都采用塑性隨動硬化材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)。模擬彈為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。材料參數見表1。

表1 材料力學性能參數

制動系統為軸對稱結構,為了減少計算量,只取結構的1/4模型進行計算。計算時活塞、連接桿和彈的初速為170 m/s,在壓力面上施加10 MPa壓力,并設定好其它求解控制參數。

1.2 計算結果及分析

1.2.1 結構變形的動態顯示

圖2顯示了不同時刻制動結構的變形情況,為便于觀察,取結構1/2模型。

結果顯示,由活塞初始位置開始,在t=0.39 ms時與變形環發生碰撞,在t=0.53 ms時變形環所受Von Mises應力最大,在t=0.57 ms時連接桿發生斷裂,在t=0.7 ms活塞達到最大位移,后活塞發生輕微回彈,在t=1.0 ms穩定在最終位置。

1.2.2 變形環的應力分布動態顯示

圖3顯示了不同時刻變形環的Von Mises應力分布情況。結果顯示,在碰撞開始時刻,即在t=0.39 ms時變形環所受Von Mises應力最大為1427 MPa;在t=0.53 ms時變形環所受Von Mises應力最大,為8 472 MPa,已遠大于材料的壓縮強度,說明變形環已經發生明顯塑性變形;在t=0.57 ms時連接桿發生斷裂,此時變形環所受Von Mises應力最大為6 325 MPa,繼續發生塑性變形;從t=0.85 ms開始變形環所受最大Von Mises應力下降為1 833 MPa,以后逐步下降,說明此時開始變形環基本不再發生塑性變形。上述最大應力均發生在變形環口部。

1.2.3 能量耗散過程

圖4、圖5分別是變形環內能變化曲線及系統的總內能變化曲線。從變形環內能變化曲線可知,其內能最大值出現在碰撞后0.25 ms時,為606.76 J。而系統內能最大值出現在碰撞后0.27 ms時,為930.55 J,故變形環最后的內能占到系統最后內能的65%。

1.2.4 速度變化過程

圖6、圖7分別顯示的是活塞和彈的速度變化曲線,二者初速度均為170 m/s。彈在碰撞發生后0.19 ms時與活塞脫離,此時速度為167.8 m/s。活塞在碰撞發生后0.28 ms時速度變為0,后速度反向,以較小速度發生輕微后退,在碰撞發生后0.61 ms時基本穩定。

1.2.5 活塞位移過程

圖8為活塞位移變化曲線。由位移變化曲線可知在碰撞發生后0.28 ms時活塞具有最大位移,為22.7 mm。

1.2.6 軸向力變化過程

圖9是連接環軸向力變化曲線。由軸向力變化曲線可知,連接環所受最大拉伸力為234 549 N,時間在碰撞發生后0.1 ms時;最大壓力為934 59 N,時間在碰撞發生后0.38 ms時。連接環承受壓力可能是由于活塞在后退過程中與連接環摩擦造成的。

1.3 不同材料變形環的優化選擇

將變形環的材料分別選定為20#鋼和35#鋼進行計算,得到另外二種材料的制動結構的動力學結果,具體見表2。從表2的對比中可以看出,與10#鋼和35#鋼相比,變形環材料采用20#鋼碰撞作用時間最大,為0.33 ms;活塞移動距離最大,為23.97 mm;具有最強的吸收沖擊能量能力,變形環最后內能與系統最后內能比率為82%,這樣就使得連接環Von Mises應力最小,系統的軸向拉力最小,為2.31*106N。綜合這些結果,變形環材料選擇使用20#鋼。

表2 三種材料的變形環的動力學仿真結果

2 不同材料變形環的變形吸能試驗研究

在變形環結構尺寸和內彈道一定的條件下,對10#鋼、20#鋼、35#鋼三種材料的變形環進行了實彈射擊對比試驗。試驗后變形環變形見圖10,圖中從左至右分別為10#鋼、20#鋼、35#鋼三種不同材料變形環發射后的塑性變形吸能情況。

從圖10可知,三種材質的變形環均能有效變形吸能,但10#鋼變形環口部易出現皺折,20#鋼與35#鋼變形環變形完好,具有較好的變形吸能效果,但20#鋼活塞的運行距離和變形環的變形長度稍大于35#鋼,說明在該系統條件下20#鋼優于35#鋼,這與有限元仿真分析結果基本一致。

3 結論

文中采用Ansys/LS-DYNA有限元軟件對有限空間武器制動系統進行仿真模擬,對制動系統的各個部件在發射過程中不同時刻的應力、應變進行了計算,

給出了系統的軸向力、位移、速度、能量耗散等物理量的變化過程,與10#鋼和35#鋼相比,變形環材料采用20#鋼碰撞作用時間最大,為0.33 ms;活塞移動距離最大,為23.97 mm;具有最強的吸收沖擊能量能力,變形環最后內能與系統最后內能比率為82%,這樣就使得連接環Von Mises應力最小,系統的軸向拉力最小,為2.31×106N。根據計算結果,變形環材料選擇使用20#鋼。最后對三種材料制造的變形環進行了實彈射擊試驗研究,試驗結果與理論仿真分析結果一致,表明仿真計算是正確可行的。

[1] 魏慶生, 彭宗法. 單兵肩射筒式武器回顧與展望 [J]. 輕兵器, 2006(14): 9-11.

[2] 來峰, 芮筱亭, 陳濤. 一種平衡拋射單兵反裝甲武器發射裝藥低溫發射安全性分析 [J]. 兵工學報, 2010, 31(4): 429-433.

[3] 蔡慶榮. 筒式武器閉氣制動裝置力學特性分析及試驗研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2003.

[4] 沈磊. 筒式武器制動部件效能的研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2004.

[5] 王瑁成, 邵敏. 有限單元法基本原理和數值方法 [M]. 2版. 北京: 清華大學出版社, 1997: 443-475.

[6] 張中利, 于存貴, 馬大為, 等. 沖擊作用下易碎式密封蓋數值仿真及實驗分析 [J]. 爆炸與沖擊, 2008, 28(1): 62-66.

[7] 孔文, 張鐵柱, 趙紅, 等. 基于Hyperworks和LS-DYNA的客車碰撞仿真分析 [J]. 青島大學學報(工程技術版), 2015, 30(4): 101-104.

AnalysisonTransientDynamicsoftheBrakeSystemoftheTube-typeWeaponwithFiniteSpace

ZHANG Yonggang, YANG Shuliang

(Jiangxi Changjiang Chemical Co. Ltd. Jiangxi Jiujiang 332005, China)

The launching process of 80 mm finite space tube type weapon braking system was calculated and simulated by the finite element method in this paper, and the energy absorbing effects of deformation ring made of 10#steel, 20#steel and 35#steel respectively were compared. The calculation results showed that when the deformation ring adopted 20#steel, the system collision time was the longest, the piston displacement distance was the largest and the ability of absorbing impact energy was the strongest, which made the axial tension of the system the smallest. According to the comprehensive calculation results, 20#steel was selected as the deformation ring material. Finally, the live firing experimental investigation of the deformation ring made of three kinds of materials was carried out, and the experimental results showed that the finite element calculation result was correct and feasible.

finite element; finite space; simulation; dynamic

TJ711.9

A

2016-08-29

張永剛(1978-),男,湖北襄陽人,高級工程師,碩士,研究方向:復合材料結構設計與仿真計算研究。