基于ADAMS的枪榴弹发射环境研究

邢宇飞,王 利

(中北大学 机电工程学院, 太原 030051)

0 引言

现代武器在朝着具备高精确打击能力、远程压制能力、高效毁伤能力的方向发展,其发展过程复杂且艰难。对于枪炮弹丸发射的研究,关键是研究弹丸的内弹道过程,内弹道过程是研究武器的基础。由于内弹道过程处于高温、高压、高速的环境下,且该过程所需时间极短[1-3],根据这些特性,对于内弹道过程的测量技术也已经发展成专门的学科。

近年来许多学者都致力于弹丸膛内运动规律的研究,其研究成果为枪炮设计提供了巨大帮助。广义的膛内运动可分成3个阶段,分别是弹丸挤进过程、弹丸膛内运动过程和弹丸半约束期运动[4]。随着数值计算理论与方法的成熟,许多学者也开始采用有限元模型研究弹丸的膛内运动。樊黎霞等[5]采用有限元仿真的方法,分析了弹丸挤进过程中弹丸铅芯的变形特征。对于弹带和膛线对发射过程的影响,吴会民等[6]利用有限元仿真软件对弹丸身管耦合系统模型进行了数值模拟,并根据结果分析了弹丸膛内运动时期弹带与膛线的相互作用。许耀峰等[7]基于有限元仿真理论研究了多种膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动的影响。对于弹丸发射的动力学特性研究,周军等[8]从经典内弹道方程出发,分析了火炮发射过程中炮膛的受力情况,在ADAMS软件中将理论分析结果通过添加函数、传感器和仿真脚本的方式控制载荷和约束,完成了某火炮的发射动力学仿真,得到了可靠的弹丸速度曲线。

从已有文献看,尽管很多学者都致力于弹丸膛内运动的研究,但是大部分研究是关于滑动弹带弹丸的膛内运动情况,对预刻槽弹带弹丸的膛内发射研究还较少。因此,本文利用ADAMS软件研究某35 mm预刻槽弹带枪榴弹发射时期的膛内运动情况,得到了弹丸发射时期部分参数。在此基础上,构建基于实际引信保险机构简化后的离心保险机构模型,设置弹性零件,测量出了引信离心保险机构解除保险时间。

1 弹丸内弹道运动分析

弹丸在膛内运动时,弹丸与身管碰撞会发生变形,严格地讲,此时的仿真模型不应使用绝对刚体模型,应简化为弹性体模型[9-13],但这样做会增加仿真难度。在实际生产制造过程中,我国的弹丸外壳多使用覆铜钢或低碳钢,炮膛使用的是极高强度钢[14-15],两者刚度极大,碰撞时间极短,则可忽略碰撞过程中的能量损失和形变,因此可以将该模型简化为刚体,可借助ADAMS软件实现刚体动力学仿真。

本文中以某35 mm枪榴弹为研究对象,身管内壁刻有等齐膛线,装弹时,弹带嵌入膛线压入膛内;发射时,弹底火药燃烧使膛内气压在极短时间内急剧增大,推动弹丸前进,并在膛线作用下旋转;出炮口后,弹丸与膛线脱离,但仍处于后效期,因此弹丸轴向速度仍在增加,但转速不再增大。引信保险机构在出炮口后一段距离内,该机构在弹体旋转产生的离心力的作用下解除引信保险。

图1为弹丸膛内运动示意图。图1中以弹体质心为原点,建立了OZXYZ坐标轴,弹丸在膛内运动一段时间后,坐标轴为OiXiYiZi。在膛内时期,为增大气密性,设计时弹丸与身管内壁是紧密贴合的,因此可认为弹丸轴线与身管轴线重合,弹丸绕自身轴线做自旋运动,并沿轴线做轴向平移。弹丸自旋转速为ω,平移速度为ν,两者直接的关系为:

图1 弹丸膛内运动示意图Fig.1 Schematic diagram of motion of projectile in bore

(1)

式中:α为膛线的缠角;d为弹丸直径。

2 枪榴弹发射仿真

某35 mm枪榴弹枪管内壁的膛线缠角为10°,缠距为623.59 mm。

2.1 模型构建

首先在Solidworks软件中建立了该枪弹发射系统耦合模型。枪管整体模型为圆柱管状体,内壁刻有12条等齐膛线;弹体模型是以实际枪榴弹为基础,圆柱部表面楔块为弹带,内部是有基于实际模型简化后的离心保险机构。在SolidWorks软件中将模型装配,并将装配体模型输出为*.x_t文件,导入ADAMS软件中。枪榴弹发射模型参数见表1。身管局部膛线模型如图2所示,弹体模型如图3所示,发射系统模型如图4所示,离心保险机构如图5所示。

表1 模型参数Table 1 Model parameter

图2 身管局部膛线Fig.2 Local rifling of barrel

图3 弹体模型Fig.3 missile bodies model

图4 发射系统模型Fig.4 Launch system model

1.弹体;2.击针;3、4.离心销;5.雷管;6.滑块;7.导爆药;8.传爆药;9.主装药图5 引信内部离心保险机构Fig.5 Fuse internal centrifugal safety mechanism

由图5可知,离心保险机构处于保险状态下,利用弹性零件离心销锁死击针,击针下端与雷管分处在滑块不同的空腔内,相互错开;发射后离心销受力做径向运动,解除保险,击针在与滑块间的弹簧作用下向上顶起,滑块在弹簧作用下滑动使击针杆与雷管同轴但不接触;撞击目标时,在目标反作用力的作用下,击针克服弹簧抗力戳击雷管,引爆导爆药、传爆药,进而引爆弹丸。

2.2 材料设置

本研究中身管材料为Cr-Ni-Mo-V中碳钢,弹体和击针材料均为普通结构钢,弹带材料为铝,离心销材料为铜其具体属性见表2。

表2 材料属性参数Table 2 Material property parameters

2.3 摩擦设置

整个发射系统的摩擦力主要存在于弹体与身管之间、弹带与膛线之间、击针与弹体之间、离心销与弹体之间以及离心销与击针之间,忽略发射过程中的空气阻力。各部分结构之间的摩擦参数设置如表3所示。

表3 不同结构之间摩擦设置Table 3 Friction setting between different structures

2.4 约束条件及载荷

身管底部设置固定副,离心销与弹体间设置弹簧,弹底施加力随时间变化曲线。

内弹道发展至目前阶段,已经形成了一套较为完整的内弹道学体系,称为经典内弹道学。经典内弹道方程组为:

(2)

利用4阶龙格-库塔法,可求得弹丸发射过程中内弹道时期的平均膛压随时间变化的曲线,设置函数:

F=S1p

(3)

式中:F为弹底受力;S1为弹底面积;p为平均膛压。

在内弹道阶段,火药燃烧产生大量高温高压气体推动弹丸运动,弹丸开始启动瞬间的压力称为启动压力。弹丸启动后,因弹带与膛内阴膛线存在装配过盈量,弹带必须逐渐挤进膛线,当弹带全部挤进时,弹带与膛线紧密吻合,其相应的燃气压力称为挤进压力。在经典内弹道学理论中,略去了弹带挤进膛线起始部的过程,因此可以将挤进压力等效为启动压力。

在查询相关文献后得到35 mm预刻弹带枪榴弹启动压力为12.4 MPa,根据启动压力与式(2)、式(3),计算得到内弹道时期弹底受力随时间变化曲线,如图6所示。

图6 时间-力曲线Fig.6 Time-force curve

3 仿真结果

在ADAMS软件中设置各项参数、载荷及各项约束条件后,将弹带部分柔性化处理,其余部分仍保留刚体,进行仿真,可以得到弹丸在内弹道及发射后一段时间内参数曲线。如图7—图10所示。

图7 弹丸受力曲线和轴向位移Fig.7 Force curve and axial displacement of projectile

本次枪榴弹发射系统仿真时长为20 ms。图7中实线为弹底受力曲线,虚线为弹丸轴向位移,0.007 2 s时弹丸射出炮口,此时弹丸进入发射后效期,弹底仍受到残余压力,且减小速度很快,在0.009 s时完全消失,之后弹丸轴向速度基本保持匀速状态。

图8为弹丸发射后的轴向速度,在0.008 7 s时达到最大速度86 827.6 mm/s。图9为弹丸发射后的转速,在0.007 2 s时转速达到最大值41 372.7(°)/s,此时弹丸出膛且处于后效期,随着弹底受力减小,该阶段转速有略微波动但不再增加,随后转速稳定在40 698.12(°)/s。图10为离心簧长度变化曲线,当离心簧被压缩2 mm时,引信解除保险。详细结果参数见表3。

表3 结果参数Table 3 Result parameters

图8 弹丸轴向速度Fig.8 Axial velocity of projectile

图9 弹丸转速Fig.9 Projectile spin rate

图10 离心簧长度变化曲线Fig.10 Length change curve of centrifugal spring

根据仿真结果,将弹丸发射时最大转速代入式(1),可以求得该时刻弹丸轴向速度为68.387 m/s,该时刻仿真得到轴向速度为82.436 m/s,计算结果与仿真误差为2.05%,在允许的误差范围内,因此仿真结果符合理论公式。并且,仿真结果与该枪榴弹弹道手册理论值符合情况较好,因此这种仿真方法是可行的,可以得到较为准确的结果。

根据仿真结果,离心销弹丸出膛后与击针脱离,因此保险机构在膛内时期完全处于保险状态。出炮口后,离心销开始做径向运动,在0.011 9 s时解除保险,此时弹丸距炮口397.065 mm,大于弹丸后效期飞行距离,因此该引信机构在飞行过程中能可靠解除被保险零件的约束,保证了膛内时期的安全性,避免炸膛的危险。

4 结论

基于ADAMS软件强大的计算求解能力,完成了预刻槽弹带弹丸发射时膛内过程及弹丸出炮口一段距离内的仿真,得到了弹丸初速度、转速等发射参数。试验表明,引信解除保险时间大于弹丸发射后效期结束时间,保证了弹丸发射时膛内时期的安全性。

利用仿真方法模拟实际发射过程,可为实际试验提供必要的理论基础。在本文基础上,增加弹丸内部发火、隔爆自毁等机构,添加相对应的参数及边界条件,可根据试验要求不同,在实际试验前模拟各部分机构运行状态,为实际试验提供理论参考。