炮口阻攔裝置設計與脫殼過程數值模擬

楊 凱,江 坤

(南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

大口徑平衡炮是一種試驗加載裝置,可發射大尺寸、大質量的發射元件。在平衡炮發射彈丸時,為了適應炮管尺寸,要設計一種彈托,彈托的外徑與炮管內口徑一致,彈托對彈丸進行定位和支撐。在試驗中,彈托如果不分離會造成彈丸額外附加質量,進而影響彈道的性能和侵徹效果[1]。

脫殼方法可分成2種:①氣動分離技術,②機械式脫殼技術。前者利用空氣中摩擦阻力將彈托與彈丸分離。然而在低速發射中,氣動力不足以將彈托分離。與氣動分離技術相比,機械式脫殼技術只需克服彈丸和彈托之間的摩擦力。該技術利用一個帶有通孔的裝置,彈丸可以順利通過而彈托被該裝置攔截下來。本文將采用機械式脫殼方法進行彈托分離。

目前,大多數研究是利用輕氣炮發射裝置在超高速情況下進行彈托分離[2-4],并未見彈丸和彈托在平衡炮炮口實現彈托分離的公開報道。故在平衡炮低速加載試驗中,設計了一種炮口阻攔裝置,既能實現彈托分離又能充分發揮平衡炮的發射性能。

1 脫殼過程設計方案

1.1 炮口阻攔裝置設計

炮口阻攔裝置的結構如圖1所示。該炮口阻攔裝置與炮管同軸,通過16個鋼螺栓壓緊固定在炮口延伸段。炮口阻攔裝置是由帶有通孔的阻攔環和阻攔裝置本體組成,兩者通過六角頭鋁螺栓連接。為了保證彈丸能夠順利通過而彈托被攔截,該通孔內徑尺寸比彈丸直徑略大,比彈托直徑小。為了防止火藥氣體在密閉空間內堆積,在炮口阻攔裝置中部開了泄壓孔,大量火藥氣體從泄壓孔處流出,火藥氣體對彈托的推動作用極大降低,因此本文忽略火藥燃氣的作用效果。

圖1 炮口阻攔裝置

1.2 彈托設計

為改善彈丸彈道性能,延長炮管的壽命,在確保彈托發射強度的前提下,彈托材料要輕,與炮管間的摩擦系數要小且材料需耐磨[5]。因此,彈托應選擇強度高,密度小,韌性好,耐磨性強,具有潤滑性能的尼龍材料[6]。為了實現彈丸的定位與支撐,設計了如圖2所示的彈托。彈托分為前托和底托,前托主要用于定位作用,而后托起到支撐的作用,前托和后托通過膠水粘合。為了保證彈托和平衡體能同時出炮口,彈托的總質量不宜過小。彈丸與彈托裝配為過盈配合,彈丸直徑略大于孔直徑。

圖2 彈托剖視圖

圖3 前托實物圖

1.3 脫殼過程

彈托飛出炮管后進入阻攔裝置,與前端阻攔環發生碰撞,導致彈托動能損失,同時螺栓因受到沖擊而消耗能量。彈丸脫離彈托飛向靶板,而彈托推動阻攔環一起運動,整體運動質量增大,彈托速度明顯下降,最終彈托被阻攔環牽制,彈托和阻攔環以較低的速度飛出去。本設計不同于常規的攔截器,常規的攔截器安裝后整個裝置是固定的,若遇到較大的沖量,對整個裝置有較大的沖擊,阻攔裝置和炮管容易受到損壞。本阻攔裝置前端阻攔環采用可滑動的分離方式,若彈托沖量過大,鋁螺栓將被剪切掉,這樣可以有效避免阻攔裝置和炮管產生劇烈振動而損壞裝置。

2 炮口阻攔裝置試驗

試驗由平衡炮、炮口阻攔裝置、靶體、高速錄像機等組成。平衡炮低速發射試驗布局示意圖如圖4所示。2臺高速攝像機放在側翼,用來記錄彈托分離過程及彈丸的飛行姿態。

圖4 試驗布局

圖5為不同時間高速攝像試驗過程,定義0 ms為彈托碰撞到阻攔環的前一刻。設定頻率為5 000 s-1,并取1 ms作為速度讀取周期,速度計算公式為

圖5 不同時間高速攝像試驗過程

(1)

(2)

式中:l為被測物體的飛行距離,lb為標桿的實際長度,lx為被測物體像素點間距離,lbx為標桿像素點間距離。

通過計算得出,彈托攜帶配重彈以100 m/s左右速度撞擊阻攔裝置,隨后配重彈以94.3 m/s速度飛出,彈托速度為29.8 m/s,隨后彈丸擊中目標靶;前彈托撞擊阻攔環后,受阻攔環作用產生環形剪切,阻攔環受撞擊而拋出。

3 彈托分離過程數值模擬

3.1 材料選擇與網格劃分

由于模型的結構比較復雜,Autodyn軟件建模困難,因此,利用workbench軟件里New Spaceclaim Geometry和mesh完成建模和網格劃分的預處理,然后導入Autodyn軟件進行計算及后處理。

彈托采用尼龍6材料,密度為1.14 g/cm3,屈服應力為50 MPa。如圖6所示,對彈托采用Sphere of Influence局部網格細化方法,通過端部加密,既減少仿真計算時間,又可保證計算結果的準確性。建模中彈丸設為剛體,彈托和彈丸間動摩擦系數設置為0.15[7]。

圖6 彈托網格劃分

炮口阻攔裝置的材料選用45#鋼,密度ρ=7.85 g/cm3,彈性模量取209 GPa,泊松比取0.269。如圖7所示,對阻攔環受碰撞處進行網格加密。

圖7 阻攔裝置網格劃分

3.2 材料模型

狀態方程、強度模型、侵蝕模型[8]的選擇直接影響彈托分離過程數值模擬的準確性。

彈托和阻攔裝置狀態方程均采用Shock方程,Shock方程是沖擊碰撞方面最經典的狀態方程,其模擬結果相比于其他狀態方程等更為準確[9]。

Shock方程是基于Rankine-Hugoniot曲線和Mie-Gruneisen形式的狀態方程。其狀態方程表達式為

p=pH+γρ(e-eH)

(3)

式中:p,e分別為被壓縮物體的壓力和內能;pH,eH分別為基于Rankine-Hugoniot曲線的被壓縮物體的壓力和內能;γ為Gruneisen常數;ρ為材料密度。

(4)

(5)

(6)

式中:ρ0為物體在絕對零度時的密度;s,c0為材料系數。

采用Johnson-Cook模型作為阻攔裝置的強度模型[10],該模型屈服應力會隨著溫度和應變而改變,具體表達式為

(7)

(8)

式中:Tr,Tm分別為室溫和熔點溫度。

彈托強度模型采用Von Mises模型:

(9)

也可以寫成:

(10)

式中:σ1,σ2,σ3為主應力;σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx為應力分量。

彈托采用Geometric Strain作為失效模型和侵蝕模型的判斷標準:

(11)

式中:εeff為有效應變;εxx,εyy,εzz,εxy,εyz,εzx為應變分量。

當Geometric Strain的值設置為1.2時,單元出現失效。此時,仿真模擬的效果跟試驗現象高度吻合。

3.3 接觸算法

采用Lagrange/Lagrange接觸耦合算法模擬彈托與阻攔裝置的碰撞。Autodyn有2種接觸算法:①External Gap接觸算法,②Trajectory接觸算法。

External Gap接觸算法限制了時間步長,即在1個計算時間步長內,表面節點進入接觸檢測區域的行程不能超過20%,而且在定義接觸的Part間需要預留出搜索空間。Trajectory接觸算法適用于所有三維非結構求解。相對于External Gap接觸算法,Trajectory接觸算法在建立復雜的三維幾何模型時更加容易,無需考慮接觸檢測區域,在仿真之前不用預留出搜索空間。Trajectory接觸算法通過追蹤節點和面的軌跡來檢測節點和面的接觸,沒有因為接觸而對時間步長進行限制,在仿真性能方面有了顯著的提升。

利用Trajectory接觸算法得出的仿真結果精度較高,而且求解速度快[12]。因此,與External Gap接觸算法相比,Trajectory接觸算法有明顯的優勢。

3.4 仿真計算

本文假設平衡炮發射彈丸時炮管不動,對炮管施加水平方向約束,且在整個脫殼過程中炮管保持不動;彈托碰撞到阻攔環的前一刻定義為0時刻,通過試驗時的高速攝像讀出此時彈丸和彈托的速度為100 m/s,在仿真中彈丸和彈托在水平方向同樣賦予100 m/s的初速。

圖8為彈托分離過程。由圖可以看出,當初速為100 m/s時,0.42 ms時達到鋁螺栓的剪切壓力,鋁螺栓被剪切,阻攔環開始運動。在4.5 ms時,彈丸完全不受彈托和阻攔環的干擾。

圖8 彈托分離過程

如圖9所示,彈托撞擊阻攔環后,在阻攔環作用下產生環形剪切,該仿真結果與試驗結果相似,驗證了仿真的準確性。

圖9 彈托被剪切

圖10為初速100 m/s時彈丸和彈托速度變化。由圖可見,脫殼過程結束后,仿真所得的彈丸與彈托分離后彈托速度為27.98 m/s,而試驗所得的彈丸與彈托分離后彈托速度為29.8 m/s。仿真結果與試驗結果相差6.1%;仿真所得的彈丸與彈托分離后彈丸速度為93.12 m/s,試驗所得的彈丸與彈托分離后彈丸速度為94.3 m/s,二者相差1.25%。由此可見,數值模擬結果與試驗結果吻合較好,表明該方法是可靠的。

圖10 初速為100 m/s時彈丸和彈托速度變化

表1為不同速度下彈托應變,從表1可以看出,當初速分別為100 m/s,150 m/s時,彈托對阻攔環影響很小,阻攔環仍可重復實驗。當速度為200 m/s時,阻攔環開始出現輕微變形;當速度達到300 m/s時,在彈托的沖擊下阻攔環內徑端面處發生較大的塑性變形,需要更換阻攔環。

表1 不同速度下彈托應變

表2為不同初速彈丸和彈托脫離干擾時的速度以及速度差,從表2可以看出,彈托速度降低了70%左右,彈丸和彈托的速度差足以使彈托分離。

表2 不同初速彈丸和彈托脫離干擾時的速度以及速度差

在彈托與阻攔環碰撞過程中,沖擊波會快速傳播到彈托底部,剪切掉的彈托材料會反方向飛散。因此被剪切掉的彈托碎片不會隨彈丸飛向靶板。當彈丸和彈托間沒有機械作用力時,彈丸不受干擾,此時彈丸質心距炮口水平距離如表3所示。

表3 彈丸質心距炮口水平距離

由表3可以明顯看出,當彈丸初始速度為150 m/s時,彈丸飛出阻攔裝置96.81 mm時,就不受彈托和阻攔環的干擾,相比于其他速度的情況,此時彈托分離效果較好,彈托和阻攔環對彈丸的彈道軌跡影響較小。

如果發射速度過大,彈托外圈會被阻攔環全部剪切掉,彈托未被剪切的部分隨著彈丸一起飛出,這就導致彈托與彈丸無法分離。如果發射速度過低,在彈丸與彈托間摩擦力的作用下,阻攔環無法將彈丸與彈托分開。

分析彈丸和彈托著靶時的分離效果,可根據平拋運動公式計算出彈丸和彈托在垂直方向的著靶落差:

x=vt

(12)

(13)

阻攔裝置垂直方向距地面1.25 m,水平方向距離靶板15 m,計算結果如表4所示。

表4 不同初速時彈丸和彈托垂直方向著靶落差

從表4可以看出,當初始速度為100 m/s時,彈丸與彈托分離后彈托速度不足以撞到靶板,彈托掉落在靶板前0.87 m處。隨著初始速度的提高,彈托均撞擊到靶板,彈托下落距離越來越小,彈托分離的效果變差。故在本文設計的炮口阻攔裝置下,當初始速度為100～150 m/s時,脫殼效果較好。

4 結論

本文結合了平衡炮低速加載試驗和Autodyn仿真軟件2種方法,對脫殼過程進行了分析,結果表明仿真結果與試驗結果高度吻合,仿真模擬了彈托分離過程并獲得了彈丸、彈托和阻攔裝置的速度、位移等數據;炮口阻攔裝置設計合理,采用剪切螺釘和阻攔環的方式,有效避免了沖擊對阻攔裝置和炮管造成的損壞,且彈托分離效果理想,故采用本文方法,可根據初速設計合理的阻攔裝置。本文結果為開展相關研究提供了理論參考。