炮口阻拦装置设计与脱壳过程数值模拟

杨 凯,江 坤

(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

大口径平衡炮是一种试验加载装置,可发射大尺寸、大质量的发射元件。在平衡炮发射弹丸时,为了适应炮管尺寸,要设计一种弹托,弹托的外径与炮管内口径一致,弹托对弹丸进行定位和支撑。在试验中,弹托如果不分离会造成弹丸额外附加质量,进而影响弹道的性能和侵彻效果[1]。

脱壳方法可分成2种:①气动分离技术,②机械式脱壳技术。前者利用空气中摩擦阻力将弹托与弹丸分离。然而在低速发射中,气动力不足以将弹托分离。与气动分离技术相比,机械式脱壳技术只需克服弹丸和弹托之间的摩擦力。该技术利用一个带有通孔的装置,弹丸可以顺利通过而弹托被该装置拦截下来。本文将采用机械式脱壳方法进行弹托分离。

目前,大多数研究是利用轻气炮发射装置在超高速情况下进行弹托分离[2-4],并未见弹丸和弹托在平衡炮炮口实现弹托分离的公开报道。故在平衡炮低速加载试验中,设计了一种炮口阻拦装置,既能实现弹托分离又能充分发挥平衡炮的发射性能。

1 脱壳过程设计方案

1.1 炮口阻拦装置设计

炮口阻拦装置的结构如图1所示。该炮口阻拦装置与炮管同轴,通过16个钢螺栓压紧固定在炮口延伸段。炮口阻拦装置是由带有通孔的阻拦环和阻拦装置本体组成,两者通过六角头铝螺栓连接。为了保证弹丸能够顺利通过而弹托被拦截,该通孔内径尺寸比弹丸直径略大,比弹托直径小。为了防止火药气体在密闭空间内堆积,在炮口阻拦装置中部开了泄压孔,大量火药气体从泄压孔处流出,火药气体对弹托的推动作用极大降低,因此本文忽略火药燃气的作用效果。

图1 炮口阻拦装置

1.2 弹托设计

为改善弹丸弹道性能,延长炮管的寿命,在确保弹托发射强度的前提下,弹托材料要轻,与炮管间的摩擦系数要小且材料需耐磨[5]。因此,弹托应选择强度高,密度小,韧性好,耐磨性强,具有润滑性能的尼龙材料[6]。为了实现弹丸的定位与支撑,设计了如图2所示的弹托。弹托分为前托和底托,前托主要用于定位作用,而后托起到支撑的作用,前托和后托通过胶水粘合。为了保证弹托和平衡体能同时出炮口,弹托的总质量不宜过小。弹丸与弹托装配为过盈配合,弹丸直径略大于孔直径。

图2 弹托剖视图

图3 前托实物图

1.3 脱壳过程

弹托飞出炮管后进入阻拦装置,与前端阻拦环发生碰撞,导致弹托动能损失,同时螺栓因受到冲击而消耗能量。弹丸脱离弹托飞向靶板,而弹托推动阻拦环一起运动,整体运动质量增大,弹托速度明显下降,最终弹托被阻拦环牵制,弹托和阻拦环以较低的速度飞出去。本设计不同于常规的拦截器,常规的拦截器安装后整个装置是固定的,若遇到较大的冲量,对整个装置有较大的冲击,阻拦装置和炮管容易受到损坏。本阻拦装置前端阻拦环采用可滑动的分离方式,若弹托冲量过大,铝螺栓将被剪切掉,这样可以有效避免阻拦装置和炮管产生剧烈振动而损坏装置。

2 炮口阻拦装置试验

试验由平衡炮、炮口阻拦装置、靶体、高速录像机等组成。平衡炮低速发射试验布局示意图如图4所示。2台高速摄像机放在侧翼,用来记录弹托分离过程及弹丸的飞行姿态。

图4 试验布局

图5为不同时间高速摄像试验过程,定义0 ms为弹托碰撞到阻拦环的前一刻。设定频率为5 000 s-1,并取1 ms作为速度读取周期,速度计算公式为

图5 不同时间高速摄像试验过程

(1)

(2)

式中:l为被测物体的飞行距离,lb为标杆的实际长度,lx为被测物体像素点间距离,lbx为标杆像素点间距离。

通过计算得出,弹托携带配重弹以100 m/s左右速度撞击阻拦装置,随后配重弹以94.3 m/s速度飞出,弹托速度为29.8 m/s,随后弹丸击中目标靶;前弹托撞击阻拦环后,受阻拦环作用产生环形剪切,阻拦环受撞击而抛出。

3 弹托分离过程数值模拟

3.1 材料选择与网格划分

由于模型的结构比较复杂,Autodyn软件建模困难,因此,利用workbench软件里New Spaceclaim Geometry和mesh完成建模和网格划分的预处理,然后导入Autodyn软件进行计算及后处理。

弹托采用尼龙6材料,密度为1.14 g/cm3,屈服应力为50 MPa。如图6所示,对弹托采用Sphere of Influence局部网格细化方法,通过端部加密,既减少仿真计算时间,又可保证计算结果的准确性。建模中弹丸设为刚体,弹托和弹丸间动摩擦系数设置为0.15[7]。

图6 弹托网格划分

炮口阻拦装置的材料选用45#钢,密度ρ=7.85 g/cm3,弹性模量取209 GPa,泊松比取0.269。如图7所示,对阻拦环受碰撞处进行网格加密。

图7 阻拦装置网格划分

3.2 材料模型

状态方程、强度模型、侵蚀模型[8]的选择直接影响弹托分离过程数值模拟的准确性。

弹托和阻拦装置状态方程均采用Shock方程,Shock方程是冲击碰撞方面最经典的状态方程,其模拟结果相比于其他状态方程等更为准确[9]。

Shock方程是基于Rankine-Hugoniot曲线和Mie-Gruneisen形式的状态方程。其状态方程表达式为

p=pH+γρ(e-eH)

(3)

式中:p,e分别为被压缩物体的压力和内能;pH,eH分别为基于Rankine-Hugoniot曲线的被压缩物体的压力和内能;γ为Gruneisen常数;ρ为材料密度。

(4)

(5)

(6)

式中:ρ0为物体在绝对零度时的密度;s,c0为材料系数。

采用Johnson-Cook模型作为阻拦装置的强度模型[10],该模型屈服应力会随着温度和应变而改变,具体表达式为

(7)

(8)

式中:Tr,Tm分别为室温和熔点温度。

弹托强度模型采用Von Mises模型:

(9)

也可以写成:

(10)

式中:σ1,σ2,σ3为主应力;σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx为应力分量。

弹托采用Geometric Strain作为失效模型和侵蚀模型的判断标准:

(11)

式中:εeff为有效应变;εxx,εyy,εzz,εxy,εyz,εzx为应变分量。

当Geometric Strain的值设置为1.2时,单元出现失效。此时,仿真模拟的效果跟试验现象高度吻合。

3.3 接触算法

采用Lagrange/Lagrange接触耦合算法模拟弹托与阻拦装置的碰撞。Autodyn有2种接触算法:①External Gap接触算法,②Trajectory接触算法。

External Gap接触算法限制了时间步长,即在1个计算时间步长内,表面节点进入接触检测区域的行程不能超过20%,而且在定义接触的Part间需要预留出搜索空间。Trajectory接触算法适用于所有三维非结构求解。相对于External Gap接触算法,Trajectory接触算法在建立复杂的三维几何模型时更加容易,无需考虑接触检测区域,在仿真之前不用预留出搜索空间。Trajectory接触算法通过追踪节点和面的轨迹来检测节点和面的接触,没有因为接触而对时间步长进行限制,在仿真性能方面有了显著的提升。

利用Trajectory接触算法得出的仿真结果精度较高,而且求解速度快[12]。因此,与External Gap接触算法相比,Trajectory接触算法有明显的优势。

3.4 仿真计算

本文假设平衡炮发射弹丸时炮管不动,对炮管施加水平方向约束,且在整个脱壳过程中炮管保持不动;弹托碰撞到阻拦环的前一刻定义为0时刻,通过试验时的高速摄像读出此时弹丸和弹托的速度为100 m/s,在仿真中弹丸和弹托在水平方向同样赋予100 m/s的初速。

图8为弹托分离过程。由图可以看出,当初速为100 m/s时,0.42 ms时达到铝螺栓的剪切压力,铝螺栓被剪切,阻拦环开始运动。在4.5 ms时,弹丸完全不受弹托和阻拦环的干扰。

图8 弹托分离过程

如图9所示,弹托撞击阻拦环后,在阻拦环作用下产生环形剪切,该仿真结果与试验结果相似,验证了仿真的准确性。

图9 弹托被剪切

图10为初速100 m/s时弹丸和弹托速度变化。由图可见,脱壳过程结束后,仿真所得的弹丸与弹托分离后弹托速度为27.98 m/s,而试验所得的弹丸与弹托分离后弹托速度为29.8 m/s。仿真结果与试验结果相差6.1%;仿真所得的弹丸与弹托分离后弹丸速度为93.12 m/s,试验所得的弹丸与弹托分离后弹丸速度为94.3 m/s,二者相差1.25%。由此可见,数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明该方法是可靠的。

图10 初速为100 m/s时弹丸和弹托速度变化

表1为不同速度下弹托应变,从表1可以看出,当初速分别为100 m/s,150 m/s时,弹托对阻拦环影响很小,阻拦环仍可重复实验。当速度为200 m/s时,阻拦环开始出现轻微变形;当速度达到300 m/s时,在弹托的冲击下阻拦环内径端面处发生较大的塑性变形,需要更换阻拦环。

表1 不同速度下弹托应变

表2为不同初速弹丸和弹托脱离干扰时的速度以及速度差,从表2可以看出,弹托速度降低了70%左右,弹丸和弹托的速度差足以使弹托分离。

表2 不同初速弹丸和弹托脱离干扰时的速度以及速度差

在弹托与阻拦环碰撞过程中,冲击波会快速传播到弹托底部,剪切掉的弹托材料会反方向飞散。因此被剪切掉的弹托碎片不会随弹丸飞向靶板。当弹丸和弹托间没有机械作用力时,弹丸不受干扰,此时弹丸质心距炮口水平距离如表3所示。

表3 弹丸质心距炮口水平距离

由表3可以明显看出,当弹丸初始速度为150 m/s时,弹丸飞出阻拦装置96.81 mm时,就不受弹托和阻拦环的干扰,相比于其他速度的情况,此时弹托分离效果较好,弹托和阻拦环对弹丸的弹道轨迹影响较小。

如果发射速度过大,弹托外圈会被阻拦环全部剪切掉,弹托未被剪切的部分随着弹丸一起飞出,这就导致弹托与弹丸无法分离。如果发射速度过低,在弹丸与弹托间摩擦力的作用下,阻拦环无法将弹丸与弹托分开。

分析弹丸和弹托着靶时的分离效果,可根据平抛运动公式计算出弹丸和弹托在垂直方向的着靶落差:

x=vt

(12)

(13)

阻拦装置垂直方向距地面1.25 m,水平方向距离靶板15 m,计算结果如表4所示。

表4 不同初速时弹丸和弹托垂直方向着靶落差

从表4可以看出,当初始速度为100 m/s时,弹丸与弹托分离后弹托速度不足以撞到靶板,弹托掉落在靶板前0.87 m处。随着初始速度的提高,弹托均撞击到靶板,弹托下落距离越来越小,弹托分离的效果变差。故在本文设计的炮口阻拦装置下,当初始速度为100～150 m/s时,脱壳效果较好。

4 结论

本文结合了平衡炮低速加载试验和Autodyn仿真软件2种方法,对脱壳过程进行了分析,结果表明仿真结果与试验结果高度吻合,仿真模拟了弹托分离过程并获得了弹丸、弹托和阻拦装置的速度、位移等数据;炮口阻拦装置设计合理,采用剪切螺钉和阻拦环的方式,有效避免了冲击对阻拦装置和炮管造成的损坏,且弹托分离效果理想,故采用本文方法,可根据初速设计合理的阻拦装置。本文结果为开展相关研究提供了理论参考。