基于彈塑性模型的某艦炮抽殼力仿真計算

郝 攀， 張 冰， 梅 帥

（1.海軍駐鄭州地區軍事代表室， 河南鄭州 450015； 2.中國船舶第七一三研究所， 河南鄭州 450015）

0 引言

抽殼是艦炮射擊過程的重要環節，艦炮射擊后，留在炮膛內的空藥筒被抽殼機構抽出并被排殼機構排出炮外，否則，滯留的藥筒將影響下一發射擊，進而影響艦炮連發性能。 為使艦炮射擊開閂后藥筒在射擊振動等因素作用下不會提前出膛，保證連發射擊時正常抽殼，一般通過彈炮匹配性設計賦予藥筒抽殼時一定的抽殼阻力。

抽殼過程是一個包含彈塑性變形、接觸、摩擦等復雜因素的瞬態動力學過程[1]，影響抽殼力的因素較多，主要有彈炮間隙、抽筒子與藥筒力學性能、藥筒與炮膛的摩擦系數、最大膛壓等[2]。 曾志銀等[3]利用ANSYS 有限元非線性分析功能， 建立了身管與藥筒的接觸二維非線性有限元模型， 利用直接求出自由度藕合節點約束反力的方法獲取抽筒力；汪衡等[4]采用ANSYS/LS-DYNA 顯式動力分析軟件建立了二維的藥筒與身管模型， 對藥筒整個發射過程進行數值仿真， 從仿真結果中提取有用的相關數據進行退殼力的計算；康艷祥等[5]采用有限元方法建立了某自動武器抽殼過程仿真模型，模型中忽略了溫度的影響，把藥筒塑性變形簡化為雙折線模型， 給出了抽殼力隨時間變化曲線；倪璐瑤等[6]通過理論計算、數值分析和試驗方法計算抽殼力，分析了最大膛壓、初始間隙、藥筒壁厚與抽殼力的關系；譚波等[7]建立了抽殼機構的有限元動力學仿真模型，模型中未考慮塑性材料加工硬化行為，得到了抽殼力隨時間的變化曲線和藥筒速度隨時間的變化曲線，分析了抽筒模板位置變化對藥筒速度的影響；孫曉雄等[8]建立了藥筒及炮膛軸對稱二維CCAE 有限元模型，模型中考慮了藥筒不同區域不同力學性能， 分析了不同溫度及不同藥筒材料對抽殼性能的影響；程斌等[9]使用雙線性材料模型建立了某小口徑火炮抽殼過程有限元模型，計算了抽殼力， 對不同膛壓下的抽殼過程進行了研究，分析了發射后藥筒再進膛的狀況。

以上諸多抽殼過程的研究文獻中， 有的利用的二維平面模型，有的利用的是解析模型，有的采用的簡易的雙折線塑性模型， 研究的側重點有所不同， 結果也千差萬別。本文在前人研究的基礎上，建立了抽殼過程彈塑性有限元動力學模型， 采用Johnson-Cook 本構模型描述藥筒彈塑性大變形行為，模型中考慮了應變率、溫度及材料硬化的影響。詳細分析了藥筒貼膛及抽殼過程的力學行為，明確了藥筒貼膛規律及應力應變分布規律， 定量地給出了抽殼力數值。

1 抽殼動力學仿真模型

1.1 抽殼機構有限元模型網格

根據實際工程尺寸建立抽殼機構三維裝配模型，模型主要有身管、藥筒、抽筒子及閂體組成，然后對各個構建劃分劃分網格，如圖1 所示，模型中共有636432 個單元。

1.2 邊界條件及載荷

對身管進行全約束，約束閂體x、y 移動及xyz 轉動自由度，約束抽筒子y 移動自由度，在抽筒子轉軸處建立轉動自由度。 藥筒為自由狀態，藥筒外表面與身管內表面、藥筒地面于閂體表面、 抽筒子抽殼面與藥筒底緣內面分別建立硬接觸，藥筒與身管摩擦系數為0.1，其余摩擦系數為0.15。

在藥筒內表面施加火藥氣體壓力， 壓力曲線如圖2所示。

圖2 膛底壓力曲線

1.3 材料本構模型

身管、閂體及抽筒子采用線彈性本構模型，彈性模量為206000MPa，泊松比為0.35。 藥筒在發射時存在較大彈塑性變形，采用Johson-Cook本構模型模擬藥筒在高壓作用下的力學行為，即：

式中：σ、εp、ε·0分別為等效應力、塑性應變、參考應變率（準靜態試驗下的材料應變率，常見值為1×10-3）；A、B、C、k1 和k2 為材料常數；T0為室溫、TM材料熔點溫度、T 為膛內溫度。

藥筒本構模型參數參照文獻[9]，見表1。

表1 藥筒材料本構模型參數

2 計算結果分析

通過彈塑性動力學有限元數值仿真， 獲取藥筒與炮膛動態應力分布，為分析藥筒動態貼膛過程，分別截取藥筒貼膛前、與炮膛協同變形及平衡態的應力云圖，如圖3所示。

圖3 藥筒貼膛過程

分析圖3（a）可知，由于藥筒與炮膛之間存在初始間隙，在膛壓作用下，藥筒開始徑向自由膨脹，在沒有接觸炮膛之前，首先向左運動至與閂體鏡面接觸。由此可以明確，藥筒在運動及變形過程中，首先貼閂，然后開始貼膛。隨著膛壓繼續增大，藥筒繼續變形，直到與炮膛內壁接觸后一起膨脹變形，如圖3（b）所示，當膛壓達到峰值時，藥筒與炮膛變形達到最大，在此過程中，藥筒出現一定程度塑性變形。 隨著膛壓下降，炮膛開始彈性恢復，同時迫使藥筒也開始共同收縮，應力狀態如圖3（c）所示。當膛壓完全消失后，炮膛與藥筒共同收縮至平衡狀態，應力狀態如圖3（d）所示，由于共同收縮過程中炮膛對藥筒存在反向加載，因此，達到平衡狀態時藥筒與炮箱處于貼緊狀態，存在一定過盈量，抽殼過程需要克服抽殼阻力。

為分析平衡狀態時藥筒與炮膛的受力狀態， 沿藥筒口部至底部方向依次提取多個炮膛內表面節點應力，提取點位置如圖4 所示。 根據提取應力值， 繪制成應力曲線，如圖5 所示。

圖4 節點應力提取位置示意圖

圖5 炮膛與藥筒接觸應力

分析圖5 可知， 炮膛與藥筒口部圓柱段及斜肩接觸部應力較大，向藥筒底部方向依次降低。這是因為發射時主要靠藥筒口部圓柱段閉氣， 根據藥筒分區域熱處理要求，藥筒口部材料屈服強度較低，更容易塑性變形，收縮至平衡狀態時炮膛與藥筒之間過盈量較大。

圖6 為抽殼阻力曲線，由圖可知，藥筒與炮膛收縮至平衡狀態后抽殼阻力不再變化， 保持在13320N 左右，藥筒被抽出時與炮膛分離，抽殼阻力將為0。

圖6 藥筒速度曲線

根據抽殼機構工作原理，抽殼時抽筒子作用于藥筒，克服抽殼阻力后使藥筒瞬時獲得一個較大的初速， 沿排殼通道排出炮外。 圖7 為藥筒速度曲線，由圖可知，最大抽殼速度為18.9m/s，能夠滿足連發射擊對抽殼的要求。

圖7 藥筒速度曲線

3 結論

本文采用Johnson-Cook 本構模型開展了彈塑性抽殼過程動力學仿真， 分析了藥筒動態貼膛規律及其貼膛過程中藥筒與炮膛動態應力分布，得出主要結論如下：

（1）藥筒在運動及變形過程中，首先貼閂，然后開始貼膛。當膛壓完全消失后，炮膛與藥筒共同收縮至平衡狀態，達到平衡狀態時藥筒與炮箱處于貼緊狀態，存在一定過盈量，即存在抽殼阻力。

（2） 藥筒與炮膛收縮至平衡狀態后抽殼阻力保持在13320N 左右，不再變化；抽殼后藥筒瞬時獲得較大的初速，最高可達到18.9m/s，此初速能夠滿足連發射擊工況下的設計需求。