制导炮弹滑动弹带强度改进设计*

邱荣剑

(山西省太原市10号信箱　太原　030027)



制导炮弹滑动弹带强度改进设计*

邱荣剑

(山西省太原市10号信箱太原030027)

某尾翼稳定制导炮弹采用由弹带座和铜带构成的滑动弹带，针对该滑动弹带在炮弹结构强度试验中暴露的弹带座划膛问题，采用ANASYS对其设计强度进行有限元仿真分析，通过仿真找出了弹带座强度设计的薄弱环节并进行了改进设计，改进后的滑动弹带经仿真和试验验证其强度满足要求。

制导炮弹; 滑动弹带; 强度; 改进

Class NumberTJ413

1　引言

弹丸在由线膛火炮发射时,因弹带嵌入缠角较大的火炮膛线而带动弹丸高速旋转,从而实现弹丸陀螺稳定。然而对于采用尾翼稳定的炮射导弹和制导炮弹不需要弹丸的高速旋转,因此在由线膛火炮发射时都采用滑动弹带以带动弹丸微旋[1,2]。滑动弹带由弹带环和镶嵌在弹带环上的导带组成,在发射时嵌入膛线的滑动弹带仍作高速旋转,弹体只是在滑动弹带的摩擦力矩的作用下微微旋转。大口径线膛炮发射的尾翼稳定制导炮弹的技术关键之一是滑动式弹带设计,国内外均较重视,都研制和装备了一些加滑动式塑料弹带的炮弹[3～5]。本文根据某制导炮弹滑动弹带在试验中出现强度不足的问题，采用ANASYS对滑动弹带进行了结构强度仿真分析，发现设计中存在的不足，并进行了改进设计和仿真验证，最后经试验验证，改进后的滑动弹带强度满足要求。

2　问题描述

某尾翼稳定远程制导炮弹采用滑动弹带，弹带由圆型弹带座和铜带组成，弹带座如图1所示。在该炮弹结构强度试验时，从回收的弹体中发现滑动弹带的弹带座表面留有一定深度的印痕，如图2所示。从印痕的大小和形状可以判定是弹带座与火炮膛线摩擦导致，由此可以判定在发射过程中，滑动弹带在综合受力情况下，弹带座出现变形，导致弹带座蹭到火炮膛线，弹带座强度存在不足。

3　原因分析

3.1建立仿真模型

选用ANSYS软件对弹带座进行结构强度仿真分析，根据滑动弹带在制导炮弹上的装配位置，创建仿真模型如图3所示，弹带座的左端面顶在模拟喷管座上，弹带嵌入模拟炮管中。弹带座和模拟炮管之间有0.25mm的间隙。首先确定各零件的材料属性，材料属性列表如表1所示；然后将三维模型导入到ANSYS软件中静态强度分析模块，设置材料属性、画网格、设置边界条件和零件间的接触关系；最后对模型施加预定的载荷，设置时间步进行求解[6～10]。在创建仿真模型时，由于弹带座是轴对称结构，所受膛压也是轴对称的，其应力和变形必然也是轴对称的，所以为了加快仿真进程，取1/4模型进行仿真分析[9]。

图2　回收的弹带座

图3　仿真模型

零件所用材料弹性模量(pa)泊松比屈服强度(Mpa)抗拉极限(Mpa)弹带座35CrMnSi2e110.315511650弹带紫铜1.08e110.3460

固定模拟炮管和模拟喷管座，在弹带座上施加最大为300Mpa的膛压，压力作用面如图4所示，弹带座的内圆柱面、后端面、外圆柱面的一部分作用有300Mpa的膛压，弹带座的前端面被喷管座顶住。弹带座的外圆柱面的前端由于弹带的闭气作用不受压力作用，由于弹带座和弹带的绑定接触，弹带相当于弹带座的一个可变形的支撑。由以上弹带座的约束和加载特点可知，弹带座的受力相当于一个悬臂梁的受力，弹带座的后端相当于固定端。

图4　压力作用面

3.2仿真结果

在300Mpa压力下，弹带座所受应力及径向变形情况如图5和图6所示。由图5可知，弹带座局部区域应力超出了屈服极限，由图6可知，弹带座径向变形前端面最大为0.28mm，超出了0.25mm，说明弹带座该处强度不足，由于变形大导致划膛。

图5　弹带座应力

图6　弹带座径向变形

4　改进设计及验证

4.1改进设计

由前面的仿真结果可知，弹带座主要是靠近弹头部部分强度不足，导致该部分产生较大变形。从受力分析可知：1)弹带座壁厚越大，越不易产生径向变形；2)弹带变形对弹带座变形有一定的影响；3)可增大喷管座和弹带座前端面的接触面积，增大摩擦力，可减小弹带座的径向变形。为了提高弹带座的强度，在确保不影响全弹结构强度的前提下，综合考虑各影响因素，对弹带座薄弱环节进行局部加厚，改进后的弹带座如图7所示。

4.2仿真及试验验证

对改进后的滑动弹带进行强度仿真分析，在300Mpa压力下，弹带座的应力及座径向变形情况如图8和图9所示。由图8可知，弹带座应力未超出屈服极限，由图9可知，弹带座最大径向变形发生在前端面，最大为0.13mm，小于0.25mm，没有超过弹带座与火炮阳线的间距，弹带座不会划膛。对改进后的滑动弹带进行强度试验，回收的滑动弹带座完好无划痕，其强度满足要求。

图7　改进后弹带座

图8　模型应力图

图9　弹带座径向变形

5　结语

针对制导炮弹滑动弹带弹带座强度不足问题，根据弹带座的受力特点，对弹带座的结构进行相应的改进，增加了壁厚，增大了与喷管座之间的接触面积。改进前后受力分析及试验验证对比如表2所示。由表2可知，弹带座的结构经过改进后，结构强度和刚度得到了很大改善。改进前弹带座有塑性变形，改进后则没有；改进前弹带座前端径向变形量过大导致划膛，改进后弹带座前端径向变形量大大减小，划膛现象消失，强度满足发射要求。

表2　弹带座改进前后性能对比

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Improved Design of Guided Shell’s Sliding Belt

QIU Rongjian

(Box 10, Taiyuan City, Shanxi Province, Taiyuan030027)

A fin-stabilized guided shell uses sliding belt which composed of belt seat and copper belt. In order to solve the problem of insufficient strength of the belt seat, ANASYS is used to simulate and analyze its’ design strength, the simulation result finds out the weak links with strength design, and the design of belt seat is improved. Through simulation and experiment, the improved sliding belt meets the requirements.

guided shell, sliding belt, strength, improvement

2016年4月5日,

2016年5月24日

邱荣剑，男，硕士研究生，工程师，研究方向：舰炮信息化弹药。

TJ413

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.043