1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:邢宇飞()男硕士研究生:.通信作者:王利()男博士教授:.:./.基于 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)摘要:在研究预刻槽弹带弹丸发射环境时以某 枪榴弹为基础利用 软件构建了枪榴弹身管、弹体及引信离心保险机构模型装配后导入 软件建立了枪榴弹发射动力学模型 在 软件中建立发射环境后模拟弹丸在膛内运动过程得到了弹丸膛内运动的部分参数并仿真得到离心保险机构解除保险时间 分析仿真结果得到离心保险机构在发射后效期结束后解除保险符合引信设计要求该研究为引信机构仿真提供了参考关键词:膛内运动离
2、心保险机构动力学内弹道本文引用格式:邢宇飞王利.基于 的枪榴弹发射环境研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.: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 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 个阶段分别是弹丸挤进过程、弹丸膛内运动过程
3、和弹丸半约束期运动 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 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
4、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 软件研究某 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 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 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 两者刚度极大碰撞时间极短则可忽略碰撞过程中的能
5、量损失和形变因此可以将该模型简化为刚体可借助 软件实现刚体动力学仿真本文中以某 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 为弹丸膛内运动示意图 图 中以弹体质心为原点建立了 坐标轴弹丸在膛内运动一段时间后坐标轴为 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
6、移弹丸自旋转速为 平移速度为 两者直接的关系为:()式中:为膛线的缠角 为弹丸直径图 弹丸膛内运动示意图.枪榴弹发射仿真某 枪榴弹枪管内壁的膛线缠角为 缠距为.模型构建首先在 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 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 软件中将模型装配并将装配体模型输出为.文件导入 软件中 枪榴弹发射模型参数见表 身管局部膛线模型如图 所示弹体模型如图 所示发射系统模型如图 所示离心保险机构如图 所示表 模型参数 参数数值弹体质量/弹底面积/.弹体最大直径/身管长度/离心销长度/离
7、心销嵌入击针深度/离心销质心偏心距/图 身管局部膛线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 弹体模型.图 发射系统模型.弹体.击针、.离心销.雷管.滑块.导爆药.传爆药.主装药图 引信内部离心保险机构.由图 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.材料设置本研究中身管材料为 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
8、铜其具体属性见表.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 所示表 材料属性参数 材料弹性模量/泊松比密度/()中碳钢.结构钢.铝.铜.表 不同结构之间摩擦设置 接触部分静摩擦因数动摩擦因数弹体与身管.弹带与膛线.击针与弹体.离心销与弹体.离心销与击针.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:()()()利用 阶龙格 库塔法可
9、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:()式中:为弹底受力为弹底面积 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 预刻弹带枪榴弹启动压力为.根据启动压力与式()、式()计算得到内邢宇飞等:基于 的枪榴弹发射环境研究弹道时期弹底受力随时间变化曲线如图 所示图 时间 力曲线.仿真结果在 软件中
10、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 图 所示本次枪榴弹发射系统仿真时长为 图 中实线为弹底受力曲线虚线为弹丸轴向位移.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.时完全消失之后弹丸轴向速度基本保持匀速状态图 弹丸受力曲线和轴向位移.图 为弹丸发射后的轴向速度在.时达到最大速度./图 为弹丸发射后的转速在.时转速达到最大值.()/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 .()/图 为离心簧长度变化曲线当离心簧被压缩 时引信解除保
11、险 详细结果参数见表 图 弹丸轴向速度.图 弹丸转速.图 离心簧长度变化曲线.表 结果参数 参数数值仿真时间/.最大位移/.出炮口时间/.最大轴向速度/().达到最大轴向速度时间/.最大转速/()达到最大转速时间/.稳定转速/().解除保险时间/.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./根据仿真结果将弹丸发射时最大转速代入式()可以求得该时刻弹丸轴向速度为./该时刻仿真得到轴向速度为./计算结果与仿真误差为.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
12、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.时解除保险此时弹丸距炮口.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 结论基于 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
13、供理论参考参考文献:谈乐斌张相炎管红根等.火炮概论.北京:北京理工大学出版社:.:.李淼钱林方陈龙淼.弹带挤进过程内弹道特性研究.振动与冲击():.():.杭宇孔德仁边鹏等.弹丸内弹道特性参数测试方法综述.测控技术():.():.王俊蒋泽一.弹丸膛内运动研究.装备制造技术():.():.樊黎霞何湘玥.弹丸挤进过程的有限元模拟与分析.兵工学报():.():.吴会民牛长根.弹丸膛内运动分析.火炮发射与控制学报():.():.许耀峰丁宏民徐坚等.大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动影响的数值分析.兵工学报():.():.周军高跃飞王登等.基于 的火炮发射动力学仿真研究.振动与冲击():.():.
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