底排彈動(dòng)態(tài)特性及發(fā)射強(qiáng)度有限元分析

賈曉玲

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院，陜西 西安 710086)

0 引言

底排彈發(fā)射時(shí)，由于彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)受到各種載荷的作用，各零部件會(huì)發(fā)生不同程度的變形，當(dāng)變形超過(guò)一定允許程度時(shí)會(huì)影響底排彈沿炮膛正確的運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使底排彈在膛內(nèi)受阻，或底排彈零件發(fā)生破裂甚至炸藥被引爆等而發(fā)生膛炸事故。為了預(yù)防這些情況發(fā)生，有必要對(duì)底排彈進(jìn)行發(fā)射強(qiáng)度分析。底排彈出炮口后，其固有頻率與其飛行環(huán)境中的載荷頻率接近時(shí)，將威脅彈丸的彈道安全性和飛行穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下底排彈將碎裂。因此底排彈固有頻率的研究分析十分必要[1]，這些參數(shù)可用于(重)設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)化彈丸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。有限元分析方法作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算方法,具有數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快、分析成本低、計(jì)算精度高、模型修改較方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域[2-6]。本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)某底排彈進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性和發(fā)射強(qiáng)度計(jì)算，以校核彈丸的整體性能。

1 底排彈動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 底排彈有限元模型建立

某型號(hào)底排彈整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底排裝藥、底排殼體、彈帶、主裝藥、彈體、引信等部件。

1-擋板;2-底排裝藥;3-底排殼體;4-彈帶;5-主裝藥;6-彈體;7-引信圖1 底排彈整體結(jié)構(gòu)

在底排彈的動(dòng)態(tài)特性有限元分析中，主裝藥和底排裝藥相對(duì)于彈體和底排殼體來(lái)說(shuō)屬于柔性體，且擋板相對(duì)于底排殼體來(lái)說(shuō)體積較小，故可以作合理簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化工作主要是用彈體和底排殼體的假密度[7]模擬底排彈的內(nèi)部裝藥和擋板，采用此種方式可大大降低有限元模型的復(fù)雜度，同時(shí)能夠保證足夠的計(jì)算精度。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)單元類型選用Solid185單元，計(jì)算時(shí)底排彈分析模型各部分材料特性如表1所示。底排彈有限元模型如圖2所示。

表1 底排彈分析模型材料參數(shù)

圖2 底排彈有限元模型

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

底排彈的前3階固有頻率如表2所示，對(duì)應(yīng)振型圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 底排彈第1階頻率及振型

圖4 底排彈第2階頻率及振型

圖5 底排彈第3階頻率及振型

表2 底排彈前3階固有頻率

由仿真結(jié)果可知，底排彈前3階固有頻率數(shù)值較大，在彈丸發(fā)射及飛行過(guò)程中不易引起共振而破壞失能，整體動(dòng)態(tài)特性良好。

2 底排彈發(fā)射強(qiáng)度分析

針對(duì)底排彈發(fā)射強(qiáng)度分析，傳統(tǒng)方法如布林克法在計(jì)算時(shí)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)，尤其是在彈尾區(qū)域計(jì)算的應(yīng)力有較大誤差；彈塑性法則只計(jì)算了個(gè)別斷面的內(nèi)表面(或外表面)處的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)整個(gè)彈體上應(yīng)力分布情況缺乏系統(tǒng)驗(yàn)證，對(duì)強(qiáng)度不足零件的改進(jìn)設(shè)計(jì)缺乏指導(dǎo)作用；而有限元法可有效避免以上缺點(diǎn)。火藥氣體壓力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，彈丸發(fā)射時(shí)最大膛壓為300 MPa，以面力施加到圖7所示的彈底區(qū)域，計(jì)算時(shí)采用1/4模型。

圖6 火藥氣體壓力p隨時(shí)間變化曲線 圖7 彈底壓力分布

2.1 有限元模型建立

圖8～圖11分別為全備彈、彈體、彈帶和底排殼體的有限元模型，單元類型選擇Soild brick 8 node 185單元，單元形狀為四面體。材料屬性按照表1內(nèi)數(shù)據(jù)定義。

圖8 全備彈有限元模型

圖9 彈體有限元模型

圖10 彈帶有限元模型

圖11 底排殼體有限元模型

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 全備彈等效應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D分別如圖12和圖13所示。由仿真結(jié)果可得，底排彈上最大應(yīng)力值為729 MPa，出現(xiàn)在彈底內(nèi)壁的邊緣上，同時(shí)在彈丸相同部位的應(yīng)變也最大。這是因?yàn)閺椡柙诎l(fā)射過(guò)程中，軸向被壓縮，徑向被墩粗，而炸藥、彈體、彈帶組成材料均不相同，并且這三種材料的彈性模量相差較大。因此產(chǎn)生的變形趨勢(shì)也不一樣，從而就會(huì)導(dǎo)致這三個(gè)部件相互擠壓，在接觸面上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

圖12 全備彈等效應(yīng)力云圖

圖13 全備彈等效應(yīng)變?cè)茍D

(2) 彈體等效應(yīng)力云圖如圖14所示。由仿真結(jié)果可得，彈體上最大應(yīng)力為601 MPa。底排彈的材料是合金鋼,合金鋼的許用應(yīng)力為1 000 MPa，因此彈體發(fā)射強(qiáng)度滿足要求。

圖14 彈體等效應(yīng)力云圖

(3) 彈帶等效應(yīng)力云圖如圖15所示。由仿真結(jié)果可得，彈帶上的最大應(yīng)力為225 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈帶燕尾槽的尖部，此處如果采用圓角結(jié)構(gòu)能夠有效地減少應(yīng)力集中。彈帶材料是紫銅，紫銅的屈服極限為240 MPa，彈帶在發(fā)射過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，但不會(huì)發(fā)生損壞現(xiàn)象。由于彈帶在發(fā)射過(guò)程中需嵌入身管膛線從而賦予彈丸一定轉(zhuǎn)速，故允許發(fā)生一定量塑性變形，因此彈帶的強(qiáng)度滿足發(fā)射強(qiáng)度要求。

圖15 彈帶等效應(yīng)力云圖

(4) 底排殼體等效應(yīng)力云圖如圖16所示。由仿真結(jié)果可得，底排殼體上最大應(yīng)力為150 MPa，底排彈底排殼體的材料是合金鋼,合金鋼的許用應(yīng)力為1 000 MPa，因此底排殼體發(fā)射強(qiáng)度滿足要求。

圖16 底排殼體等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1) 對(duì)底排彈有限元模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析后得出了彈丸的前3階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型，仿真結(jié)果表明底排彈長(zhǎng)徑比合理，整體動(dòng)態(tài)特性良好，可有效規(guī)避飛行過(guò)程中因共振現(xiàn)象而引起的結(jié)構(gòu)顫震等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(2) 底排彈在發(fā)射時(shí)(最大膛壓)總體及關(guān)鍵部位彈體、彈帶、底排殼體上的最大應(yīng)力分別為729 MPa、601 MPa、225 MPa、150 MPa，均小于其材料許用應(yīng)力，表明彈丸在發(fā)射過(guò)程中總體滿足發(fā)射強(qiáng)度要求。