某制导炮弹尾段壳体发射强度仿真*

宋 勇，陶 苑，李昌坤，罗文建，肖秀友

(1中国兵器工业第59研究所，重庆 400039;2南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

早期弹药研制受条件限制，通常采用“画+打”的形式，即在结构设计完之后，采用工程算法进行校核，然后通过试验验证，一般需要较长的研制周期和大量的研制经费。随着战争多元化的发展，对武器弹药的功能和性能提出了更高的要求，因此，弹药的结构也越加复杂，受力也较复杂，设计过程通过工程算法很难或无法计算。

随着科学技术的发展，数值仿真技术发展的越加成熟，人们结合试验结果逐渐完善仿真软件中的算法，使仿真结果越来越与现实试验情况相符合。在国外，CAE技术已广泛应用于弹药设计领域，据统计，应用仿真软件指导产品设计可提高产品质量5～15倍，增加材料利用率25%，降低工程技术成本13% ～30%，降低人工成本5% ～20%，缩短产品设计试制周期30% ～60%，增加分析问题广度和深度的能力3～3.5 倍。

文中应用UG三维建模软件对某制导炮弹全弹实体建模，然后把模型导入仿真软件ANSYS Work-Bench中进行强度分析，通过设定模型材料属性、离散模型、选择分析类型、添加约束、施加外力、选择求解类型，最后求解即可得到全弹的应力、应变分布情况，可以为全弹提供直观的设计参考。

1 尾段壳体结构与受力分析

某制导炮弹主要由导引探测段、修正舱段、战斗部和尾翼段等组成，其结构分布示意图如图1。

图1 某制导炮弹结构分布示意图

尾翼段包括尾段壳体、尾翼和弹底，主要起飞行稳定功能，尾段壳体结构示意如图2所示，起支撑、保护尾翼装置的作用，其结构设计是否合理直接影响强度，乃至全弹的稳定性，对全弹有至关重要的作用。

图2 尾段壳体

弹丸发射时，炮膛内产生高温高压气体，直接作用到弹底部，对弹丸产生巨大推力，同时弹丸在滑动弹带和膛压的作用下旋转。尾段壳体受到离心力和过载的综合作用，当膛压达到最大260MPa时，弹丸转速也接近最大值，此时受力环境最为严酷，计算此时尾段壳体的应力、应变分布，是结构设计的重要依据。

2 仿真计算

2.1 初始条件

尾段壳体材料为35CrMnSiA，其材料密度为7.8g/cm3，杨氏模量(Young's Modulus)为 290GPa，泊松比(Poisson's Ratio)为 0.3，壳体壁厚 7.5mm ，材料σs≥1280MPa，σb≥1620MPa。

理论计算，弹丸受最大260MPa膛压时，加速度为 97618.0m/s2，转速约为 138rad/s。

2.2 建模并导入分析软件

根据全弹实际尺寸，应用UG软件建立3D模型，并把建立好的3D模型导入ANSYS WorkBench分析模块。由于要计算弹丸在某时刻的受力分布，故选择Static Structural分析类型。

2.3 设定材料属性

分别设置全弹的材料属性，包括杨氏模量、泊松比、抗拉强度和屈服强度等参数，尾段壳体材料属性设置对话框见图3。

图3 尾段壳体材料属性设置对话框

2.4 离散模型

对全弹进行网格划分，尾段壳体的过渡区域主要是由弧形和直角构成的，选择适合本结构计算的四面体网格(Tet meshing)。尾段壳体离散后共得到133106个节点和69760个单元，如图4。

图4 离散后的模型

2.5 施加载荷、约束

通过软件自动识别功能，可以识别零部件间接触面。然后，以弹丸底部端面为参考面，弹带槽处施加固定约束，整个单体施加过载97618.0m/s2，转速设定 138rad/s，见图 5。

图5 过载、转速参数设定

2.6 设置求解类型及求解

设置变形(deformation)和应力(stress)等效求解类型，求解后的壳体形变、应力分布云图见图6、图7。仿真结果表明，壳体径向最大应变约为0.27mm，轴向应变约为0.08mm，应力最大值约为1129.4MPa。

图6 尾段壳体应变分布云图

图7 尾段壳体应力分布云图(半剖)

3 靶场强度试验

2008年，本项目在试验场进行了全弹的发射强度试验，共试验3发。试验中，使用铜柱测压，试验数据见表1，试验过程中没有发生异常情况，试验前后尾段壳体见图8。

表1 试验数据

图8 尾段壳体试验前后对比

4 结论

利用UG三维建模软件和ANSYS WorkBench仿真软件对弹药设计进行建模和仿真，较以前的工程计算有无可比拟的优势。经试验验证，仿真结果与试验结果相近，能够为设计提供参考。

以后，弹药设计领域中，应加大仿真技术应用，改变以前落后的设计方式，提高设计效率，节约设计成本。

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