某舰炮典型坡膛结构的受力和内弹道特性分析

彭松江，陈 亮，何 行，邹利波

(1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015；2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

火炮坡膛连接药室和线膛部分，是弹带切入膛线的过渡区域，坡膛结构尤其是坡膛坡度对火炮的膛内受力特性、弹道特性至关重要，并且与使用寿命直接相关[1]。某新型高射速舰炮坡膛坡度较小，与传统火炮差别较大，笔者着重研究小坡度坡膛情况下弹带挤进过程对膛内运动受力、弹道特性的影响，揭示其对总体性能的综合贡献。

1 某舰炮典型坡膛结构现状

线膛火炮的坡膛锥度一般在1/5～1/10[2-3]，坡度对应为1/10～1/20范围内，膛线大约由其长度的2/3处开始。确定坡膛坡度时，应考虑身管寿命、火炮威力等因素，坡度大小直接影响挤进受力，对内弹道过程将产生影响[4-6]。

某新型高射速舰炮坡膛坡度较小，仅为1/24.5，突破1/20的范围，其弹药采用了凸缘弹带结构，凸缘弹带的主要作用是在启动时，加大弹体的运动强制量，提高其密闭火药气体的能力，减少对膛线起始部磨损的敏感性[7]。弹药合膛局部情况如图1所示。发射过程中底火击发后，药筒内发射药开始燃烧，压力增大，弹丸克服拔弹力开始运动；在行进3.4 mm后自由行程结束，弹带凸缘(82.5mm)接触坡膛，并产生塑性变形；在火药气体作用下，弹丸继续前进至44.6 mm，弹带开始挤入膛线；前进81.6 mm后，第1条弹带完全挤入线膛；前进125.6 mm后，第2条弹带完全挤进线膛，挤进过程结束。

坡膛区段内弹带挤进过程是内弹道的初始阶段，现象非常复杂，涉及弹带在快速变化的压力作用下的塑性力学问题，且行程和时间非常短，难以用实验准确测量，因此该挤进阶段在经典内弹道学中进行了简化处理，并将其用于指导工程实践[8]。工程上以25～40 MPa挤进压力作为内弹道的启动条件，该舰炮的内弹道计算采用挤进压力为29.4 MPa作为计算的起始条件，简化了弹丸克服拔弹力后再挤入膛线前这段运动，而随坡膛结构引起的挤进压力变化完全无法在经典内弹道计算中细化反映。

2 坡膛坡度对挤进压力的影响研究

为研究不同坡膛锥度对弹丸挤进受力的影响，采用有限元分析方法对不同坡膛锥度的挤进过程进行仿真分析，在相同的建模、载荷施加、边界条件和网格属性条件下，加载相同历程和规律的压力条件，分析对比弹丸在挤进过程的运动、受力特性。

2.1 有限元建模与加载

严格按照实物尺寸和对应装配关系，在Creo软件中分别建立身管本体及内膛曲线结构、弹丸、弹带及装药的实体模型。采用C3D8R六面体结构化网格单元对模型进行离散化，使用同炮钢和黄铜材料性能接近的材料[9]分别赋予身管本体和弹带模型参数中。划分好的带膛线的身管和弹丸的有限元模型如图2所示。前、后弹带和装药分别与弹体使用绑定(Tie)约束关系，使其固定在弹体上并忽略弹体的重力，身管绑定约束在炮尾上，但弹带网格同膛线网格紧贴但不共用，通过interface面建立关系，如图3所示。建立弹炮耦合动力学有限元模型后，加载相同历程、相同规律、相同量值的压力变化条件，利用ABAQUS/Explicit求解。

2.2 计算结果

为了对比不同坡膛锥度条件下，弹带挤进过程对弹丸弹体的受力影响，不改变药室结构，将坡膛起始点位置固定，改变坡膛锥度，分别建立不同坡膛锥度的炮身有限元模型进行分析计算。受力仿真计算结果与坡膛坡度、长度的对应关系如表1所示。

表1 前弹带挤进过程中受力仿真结果

不同坡膛结构下的弹带挤进过程，弹体受力情况计算结果，如图4～7所示，因篇幅限制，仅绘制部分典型工况的曲线。

2.3 仿真结果分析

同一计算环境下，仿真曲线显示坡膛结构对弹丸运动的阻力均呈现“挤进过程迅速增大、挤进终了迅速减小、线膛区域趋于平稳”的趋势，对比分析不同坡度条件下的挤进过程受力曲线，运动、受力特性随着坡膛坡度的减小呈现以下特征：

1)挤进过程最大挤进合力、最大剪切力、最大应力明显减小，弹体受力减小。

2)挤进行程较长、挤进时间较长，弹带挤进终了时的弹体运动速度增大。

3)凸缘弹带接触坡膛壁时刻大多出现在0.5 ms左右，印证了凸缘弹带有效提高挤进初期的密闭能力、减小对坡膛变化的敏感性的作用。

3 坡膛坡度对内弹道性能的影响

3.1 挤进过程假设修订

为了深入研究小坡度坡膛结构对内弹道特性的影响，对经典内弹道学的瞬时挤进等基本假设进行修订，内弹道求解引入挤进过程，并将内弹道历程分3个区段，把拔弹力作为初始启动条件，将弹带挤进过程消耗的能量考虑在内进行求解：

1)第1区段：启动阶段，从弹丸克服拔弹力到弹带开始接触坡膛。

2)第2区段：挤进阶段，从弹带开始接触坡膛到弹带完全挤进膛线。

3)第3区段：线膛运动阶段，从弹带完全挤进膛线到弹丸出炮口。

3.2 挤进过程次要功参数选取

根据经典内弹道理论[10]，火药燃气对外做功主要包括6个部分：弹丸直线运动功E1，弹丸旋转运动功E2，弹丸运动摩擦功E3，火药气体运动功E4，后坐部分运动功E5和弹带挤进及弹前空气运动消耗的能量E6.前5种与弹丸直线运动成一定比例关系，忽略E6，引入次要功系数,也称虚拟质量系数φ，即：

φ=1+K2+K3+K4+K5，

(1)

进行内弹道方程组求解，式中K2、K3、K4、K5分别是与E2、E3、E4、E5对应做功系数[11]。

由于第1区段弹丸在轴向方向上仅受弹底火药气体压力，没有旋转、摩擦和弹带挤进，次要功系数φ取1.

第2区段弹丸受到坡膛结构对弹带的挤压阻力，弹带受到膛线的挤压作用开始带动弹体做导转运动，受力过程极其复杂，在传统次要功系数φ取值方法基础上，对弹丸旋转运动功系数K2、弹丸运动摩擦功系数K3的量值进行系数修正，将挤进过程损耗的功计算在内。由于第2区段弹丸受力大于线膛期间的阻力，通过将原计算书的(K2+K3)乘以系数n，用n(K2+K3)来代替原参数。在标准坡度为24.56，n值为6.5时，新的内弹道计算的炮口速度和最大膛压值同实测相符。在坡膛不同的情况下，仅仅受到的挤压力和摩擦不同的，在标准坡度24.56的取值情况下乘以修订系数q，即用(K2+K3)nq进一步来修订做功系数(K2+K3)，坡膛1/24.56情况下挤进过程中受到的最大挤进合力为F，某种坡膛下挤进过程中受到的最大挤压合力为Fn,则q=Fn/F，根据该方法得到不同坡膛情况下修订系数q值，如表2所示。

表2 不同坡膛锥度下的修订系数

第3区段为弹丸完全在膛线内运动阶段，采用传统内弹道方程计算，次要功系数φ取值方法与传统方法相同即可。

3.3 内弹道数值仿真结果与分析

通过表2中的修正值，重新计算不同坡膛情况下(正装药)弹丸炮口初速度、最大膛压值以及对应行程和时刻，如表3所示。

表3 不同坡膛锥度工况下内弹道相关计算结果对比(正装药)

同时对比正装药条件下的P-t曲线、P-l曲线和v-t曲线，如图8～10所示。

分析图8～10的曲线图，并结合图4数据可以看出：

1)多条压力曲线变化过程中，在3.8 ms处存在翻转拐点；当坡膛锥度较小时，挤进阻力较大，挤进速度上升较快、膛压升高慢，拐点之后弹丸速度上升减缓，最大膛压出现点和燃烧结束点延后，最大膛压和炮口初速都相对稍低；反之，当坡膛锥度增大时，由于挤进阻力增大，挤进速度上升较慢、膛压升高较快，拐点之后弹丸速度上升加快，最大膛压出现点和燃烧结束点提前，最大膛压和炮口初速都相对有所提高。

2)相同初始条件下，身管坡膛在坡度1/24.56与1/10条件下相比，最大膛压降低15%，初速降低3%，最大膛压出现点后延，身管受力环境得到改善。

4 结束语

笔者通过修订系数的方法将弹带挤进膛线的过程考虑在内弹道计算过程中，依据该方法，分析了不同坡膛对内弹道性能的影响，由此说明了某型高射速舰炮采用小坡度结构设计具有合理性。该小坡膛设计在少量降低初速的同时，减小了坡膛挤进合力，降低了最大膛压，有利于减小坡膛磨损、改善弹炮受力状态，是提高身管寿命的重要技术途径。