含預制裂紋的弧形膜片壓力控制技術研究

姜 奧

（鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015）

0 引言

面對當今國內(nèi)外日益增加的維穩(wěn)、治安需求，傳統(tǒng)的非致命武器因其威力不可控性、作用單一性而無法滿足復雜多變的使用環(huán)境變化，因此需要設計一種能夠根據(jù)射擊距離調(diào)整初速，以達到相同終點動能的變初速武器[1-2]。為實現(xiàn)武器初速的可調(diào)性，設計了一種含2 個相互獨立藥室的雙藥室彈藥結(jié)構(gòu)，通過分別擊發(fā)不同裝藥量的藥室，實現(xiàn)對彈丸初速的調(diào)整[3-4]。在雙藥室發(fā)射過程中，為了控制火藥燃氣的初始壓力，順利推動彈丸運動，滿足初速一致性，且藥室一與藥室二發(fā)射時不產(chǎn)生串火，設計了一種含預制裂紋的弧形控壓片，使用數(shù)值計算的方法得到了兩個藥室各自的壓力-時間曲線。利用有限元分析軟件分析得到了膜片的尺寸。進行了同刻槽深度的膜片爆破試驗，得到了滿足初速要求的膜片結(jié)構(gòu)。

1 雙藥室彈藥結(jié)構(gòu)

雙藥室彈藥結(jié)構(gòu)設計需考慮火藥燃燒時產(chǎn)生的熱量不能對另一藥室產(chǎn)生影響，兩藥室間需進行密閉隔離并留有一定的距離[5]。同時要求兩藥室單獨燃燒時都能夠獨立推動彈丸運動，兩藥室同時燃燒時火藥氣體能夠共同推動彈丸運動，綜合上述特性，所設計雙藥室彈藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙藥室彈藥結(jié)構(gòu)圖

從圖1 看，2 個藥室相互獨立，在藥室的前部都安裝有所設計弧形膜片，當火藥燃氣抵達膜片后，在初始壓力下無法沖破膜片，只有當壓力達到一定數(shù)值后，火藥燃氣沖破膜片，推動彈丸運動，同時與另一藥室的膜片接觸，在此過程中，另一藥室的膜片需起到可靠密閉作用，確保不發(fā)生串火，保證可以得到預期的彈丸速度。可見，膜片壓力控制技術是解決藥室密封問題，并保證擊發(fā)可靠和防止膛壓突變的關鍵。

分析可知，所設計膜片必須既擁有正向能夠被火藥燃氣沖破，提供彈丸運動所需壓力的能力，又擁有反向不能被擊發(fā)另一藥室時傳遞來的火藥燃氣沖破的能力。正反兩面具有不同的壓力承受能力且正向沖破壓力穩(wěn)定，不會出現(xiàn)破膜壓力差導致彈丸初速突變，反向承壓能力可靠，不會出現(xiàn)串火情況[6]。根據(jù)上述需求，所設計膜片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 膜片結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，膜片整體呈圓柱加一圓弧薄膜狀，其中薄膜凸面為反面，薄膜凹面為正面。在凹面中有4 條刻槽，改變刻槽深度即能夠改變膜片正向沖破壓力，凸面為拱橋型結(jié)構(gòu)，使膜片具備反向承壓能力。

2 內(nèi)彈道計算

2.1 基本假設

建立多藥室內(nèi)彈道過程的基本假設[7-8]：（1）火藥燃燒過程服從幾何燃燒定律；（2）膜內(nèi)各處壓力均為平均壓力，不考慮彈底與膜底之間的壓力差；（3）火藥的燃燒速率與膛內(nèi)平均壓力成正比；（4）火藥力f和余容α在整個內(nèi)彈道過程中視為不變；（5）內(nèi)彈道過程中摩擦等能量損耗采用次要功系數(shù)φ進行計算，擠進膛線過程和膛壁散熱導致的能量損失通過減小f或增大θ的方法間接計算；（6）忽略彈丸的擠進過程。

2.2 內(nèi)彈道計算過程

（1）流量方程

在發(fā)射過程中，藥室內(nèi)隨著火藥燃氣的不斷生成，壓力迅速上升，當達到破孔壓力后，藥室通過噴孔進行氣相流動，其流量方程為：

式中：φ1為流量系數(shù)；d1為破孔直徑。

（2）壓力方程

式中：ω1為藥室裝藥量；f為火藥力；ρp為火藥密度；α為火藥氣體余容。

（3）彈丸運動方程

式中，a為彈丸加速度；v為彈丸速度；D為彈丸直徑；m為彈丸質(zhì)量；L為彈丸位移。

2.3 結(jié)果

聯(lián)立上述方程并帶入相關參數(shù)，得到壓力-時間曲線如圖3 所示。

圖3 壓力-時間曲線

由計算結(jié)果可知，藥室一單獨擊發(fā)時最大壓力約為2 MPa，藥室二單獨擊發(fā)時最大壓力約為3.4 MPa，考慮到膜片工藝的復雜性與安裝時的便利性，因此設計一種正向能夠在2 MPa 時能夠沖破，反向在3.4 MPa時不能沖破的膜片即可在2 個藥室中同時使用。

3 膜片有限元仿真分析

將所建立三維模型導入有限元仿真軟件中，選擇顯示動力學分析模型，對膜片模型進行網(wǎng)格的劃分，采用C3D8R 單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為49142 個，節(jié)點數(shù)為183194。網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

完成網(wǎng)格劃分后，設置膜片外表面、端面為固定面，在正面施加火藥燃氣壓力2 MPa。添加必要的約束，接觸及邊界條件后，根據(jù)內(nèi)彈道計算結(jié)果，設置壓力作用時間為10 ms，對劃分好網(wǎng)格的膜片進行仿真分析，得到正向承壓的膜片位移變形如圖5 所示。

圖5 正向沖破膜片變形圖

可以看出，所設計膜片結(jié)構(gòu)在正向2 MPa 的壓力下呈花瓣狀張開，能夠滿足使用需求。驗證過膜片的正向沖破能力后，繼續(xù)進行反向承壓能力仿真，同樣將所建立三維模型導入有限元仿真軟件中，對膜片模型進行網(wǎng)格的劃分，結(jié)果同上。添加必要的約束，接觸及邊界條件后，根據(jù)內(nèi)彈道計算結(jié)果，設置壓力作用時間為10 ms，對劃分好網(wǎng)格的膜片進行仿真分析。分析可得，在內(nèi)彈道發(fā)射的時間內(nèi)，所設計膜片結(jié)構(gòu)能夠承受反向壓力3.4 MPa，可確保不會發(fā)生串火，能夠滿足使用需求。

4 膜片壓力試驗

搭建膜片壓力測試平臺，由以下試驗儀器組成：氣瓶、連接氣管、爆破試驗裝置、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、信號轉(zhuǎn)換儀、筆記本電腦等。其中氣瓶與連接氣管主要提供壓力測試試驗所需的氣體，爆破試驗裝置用于安裝膜片并密閉氣體，壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、信號轉(zhuǎn)換儀、筆記本電腦用于進行數(shù)據(jù)采集和分析。

氣路進入爆破裝置后，一路被壓力傳感器感應，另一路通向膜片，膜片圓周有數(shù)層密閉螺紋，能夠保證氣密性，氣體沖破膜片后，由下方泄氣孔導出裝置之外。通過調(diào)整膜片的安裝方式，可以對膜片的正、反面依次進行試驗。確定了刻槽深度分別為2.3 mm，2.5 mm，2.7 mm 三種深度的膜片為試驗對象。利用試驗裝置分別進行了試驗。被沖破的膜片如圖6 所示。

圖6 沖破膜片

2.3 mm 刻槽深度的膜片在1.6 MPa 下沖破，2.5 mm刻槽深度的膜片在2.0 MPa 下沖破，2.7 mm 刻槽深度的膜片在2.5 MPa 下沖破，由內(nèi)彈道計算結(jié)果可知，2.5 mm 刻槽深度的膜片符合使用要求。對符合壓力需求的刻槽深度2.5 mm 的膜片進行反向承壓能力檢測，在反向施加3.4 MPa 壓力，試驗后發(fā)現(xiàn)膜片完好，無破裂痕跡。根據(jù)上述試驗結(jié)果，最終選定刻槽深度2.5 mm 的膜片。

5 結(jié)語

為了滿足雙藥室彈藥的使用需求，設計了一種含預制裂紋的弧形膜片，通過仿真確認了膜片的大致尺寸。為了全面真實反映所設計含預制裂紋的弧形膜片的壓力控制能力，搭建了膜片壓力測試平臺進行試驗對比。對比了不同刻槽深度的膜片沖破所需壓力，驗證了其反向承壓能力。試驗結(jié)果表明，使用2.5 mm 刻槽深度的膜片結(jié)構(gòu)能夠滿足正向沖破，反向承壓的指標要求，滿足了雙藥室彈藥的設計需要，為增強武器的威力的研究提供了參考。