曾志銀,寧變芳,邵小軍,劉朋科,張軍嶺

(西北機(jī)電工程研究所,陜西咸陽(yáng) 712099)

火箭彈撞蓋力數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究

曾志銀,寧變芳,邵小軍,劉朋科,張軍嶺

(西北機(jī)電工程研究所,陜西咸陽(yáng) 712099)

儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮前密封蓋設(shè)計(jì)是該類火箭炮關(guān)鍵技術(shù)難題之一。由于該類火箭炮結(jié)構(gòu)特性所決定,實(shí)彈射擊時(shí)火箭彈撞擊密封蓋過(guò)程中的撞擊力無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)試,因此應(yīng)用LS-DYNA的顯式中心差分算法,對(duì)某儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮撞蓋力進(jìn)行了數(shù)值仿真分析和模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究,解決了該火箭炮實(shí)彈射擊時(shí)無(wú)法實(shí)測(cè)火箭彈撞擊前密封蓋瞬態(tài)響應(yīng)的難題。對(duì)數(shù)值仿真與模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試的撞蓋力結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,其結(jié)果相對(duì)誤差小于12%,仿真結(jié)果對(duì)解決該類火箭炮關(guān)鍵技術(shù)難題——密封蓋合理設(shè)計(jì)提供了正確的理論依據(jù)。依據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)后的前密封蓋經(jīng)實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證,完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

固體力學(xué);儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱;火箭彈;撞蓋力;數(shù)值仿真;LS-DYNA

儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式發(fā)射技術(shù)是火箭炮發(fā)展中的一項(xiàng)新技術(shù),要求儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱應(yīng)具有儲(chǔ)存、運(yùn)輸和發(fā)射于一體的功能。儲(chǔ)存功能就是在出廠時(shí)就將火箭彈裝入定向管中,前后密封,滿足火箭彈的儲(chǔ)存年限要求;運(yùn)輸功能就是儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱帶彈能夠承受不同運(yùn)輸環(huán)境的行駛沖擊和振動(dòng),保障閉鎖擋彈機(jī)構(gòu)可靠;發(fā)射功能就是將帶彈的儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱吊裝到火箭炮上不需要打開(kāi)就能夠直接發(fā)射,能夠給火箭彈賦予射向、轉(zhuǎn)速和初速。根據(jù)儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱功能,要求定向管前、后都裝有密封蓋,后密封蓋靠火箭彈尾焰壓力沖開(kāi),前密封蓋靠火箭彈出炮口時(shí)撞開(kāi)。若撞蓋力太大,就會(huì)影響到引信作用的可靠性和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作,太小就會(huì)被火箭彈發(fā)射時(shí)的火焰吹破[1]。因此,前密封蓋如何合理設(shè)計(jì)就成為儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮的關(guān)鍵技術(shù)之一,其技術(shù)難點(diǎn)是動(dòng)態(tài)破碎力檢測(cè)與仿真。

筆者基于LS-DYNA瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真軟件,對(duì)某火箭彈撞擊前密封蓋瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,并與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 撞蓋力數(shù)值仿真模型

1.1 材料模型

由于前密封蓋被火箭彈撞擊后在其預(yù)先設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力槽處發(fā)生斷裂,從而使前密封蓋飛離炮口。因此,在撞擊瞬態(tài)響應(yīng)仿真材料模型選擇時(shí)必須考慮一點(diǎn)的就是定義材料失效應(yīng)變(或失效應(yīng)力),除此之外,其接觸方式必須定義為侵徹接觸。

根據(jù)實(shí)際密封蓋結(jié)構(gòu)使用的材料及撞擊過(guò)程,本仿真材料模型選擇塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC),材料模型見(jiàn)式(1)[2]。

式中:C為與應(yīng)變率相關(guān)的系數(shù);P為與應(yīng)變率相關(guān)的指數(shù);˙ε為應(yīng)變率;σ0為初始屈服極限;β為硬化參數(shù);Ep塑性硬化模量;εeefp為等效塑性應(yīng)變。

根據(jù)密封蓋材料試驗(yàn)結(jié)果及參照參考文獻(xiàn)[3],確定材料模型中的相關(guān)參數(shù)。

1.2 載荷

在撞蓋力數(shù)值仿真模型中,模型載荷考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)推力、閉鎖力及火箭彈重力對(duì)火箭彈的作用,忽略了定向鈕與定向管之間的摩擦力,發(fā)動(dòng)機(jī)推力施加在火箭彈尾端面上。

1.3 數(shù)值仿真模型與計(jì)算方法

火箭彈與密封蓋均為對(duì)稱結(jié)構(gòu),有限元分析模型取其四分之一結(jié)構(gòu),并在對(duì)稱面施加面對(duì)稱約束?；鸺龔椗c密封蓋碰撞接觸定義為侵徹面面接觸(contact_eroding_surface_to_surface),即:定義密封蓋材料的失效準(zhǔn)則,火箭彈與密封蓋撞擊時(shí)當(dāng)密封蓋的接觸表面材料失效后,火箭彈仍與密封蓋表面下層單元接觸,直到密封蓋完全被撞碎,計(jì)算輸出接觸力[4]。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系與使用工況,密封蓋壓邊一周部分簡(jiǎn)化為固定約束,密封蓋幾何模型如圖1所示,撞蓋力數(shù)值仿真模型如圖2所示。

本文對(duì)火箭彈撞蓋力的模擬計(jì)算采用顯式中心差分法,這也是 LS-DYNA3D采用的主要算法,即假定0,t1,t2,…tn時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位移、速度與加速度均為已知,現(xiàn)求解tn+1(t+Δt)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。中心差分法在求解動(dòng)力學(xué)方程時(shí),將其加速度和速度用位移的差分格式代替,即:數(shù);δij為Kronecher符號(hào);K=為材料體積彈性模量。

2 撞蓋力數(shù)值仿真與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1 數(shù)值仿真結(jié)果

依據(jù)建立的有限元撞蓋力數(shù)值仿真模型,應(yīng)用LS-DYNA瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)火箭彈撞擊密封蓋過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真,數(shù)值仿真結(jié)果見(jiàn)表1,撞蓋力曲線如圖3所示。

表1 火箭彈撞擊密封蓋數(shù)值仿真結(jié)果T ab.1 Numerical simulation results of rocket impactingseal cap

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了進(jìn)一步確認(rèn)數(shù)值仿真結(jié)果,應(yīng)用自由落體方法模擬火箭彈撞擊密封蓋過(guò)程,實(shí)驗(yàn)直接測(cè)試撞蓋力的大小。模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)架、模擬彈、密封蓋(實(shí)物),密封蓋安裝夾具、力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)架主要產(chǎn)生火箭彈撞擊密封蓋所需速度,模擬彈彈重及頭部幾何形狀與實(shí)際火箭彈相同,力傳感器直接安裝在模擬彈彈頭部,力傳感器安裝如圖4所示。實(shí)驗(yàn)是將模擬火箭彈懸置在距密封蓋2.5 m(力傳感器頭距密封蓋距離)高度位置,然后突然釋放模擬彈,使其自由下落撞擊密封蓋,撞擊速度根據(jù)公式=確定。其中高度h是根據(jù)數(shù)值仿真撞蓋速度結(jié)果反推確定的。撞蓋力模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,測(cè)試曲線如圖5、圖6所示。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)撞蓋力測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data of impacting force

2.3 數(shù)值仿真與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比表1與表2,數(shù)值仿真火箭彈撞蓋力與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差為12.0%,誤差產(chǎn)生的原因是:其一,模擬實(shí)驗(yàn)為自由落體,火箭彈除重力作用外無(wú)其他作用力,而數(shù)值仿真中除火箭彈重力外,還受到隨時(shí)間變化的發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用;其二,模擬實(shí)驗(yàn)按自由落體計(jì)算模擬彈撞蓋速度為7m·s-1,而數(shù)值仿真撞蓋結(jié)束瞬時(shí)速度為6.9 m·s-1。

3 仿真結(jié)果分析

由于火箭彈發(fā)射出定向管前是被封裝在定向管內(nèi)的,其發(fā)射過(guò)程中撞擊密封蓋瞬時(shí)速度、撞擊力大小均無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)試,通過(guò)數(shù)值仿真獲得火箭彈撞擊密封蓋瞬態(tài)響應(yīng)便成為目前唯一的選擇。盡管模擬實(shí)驗(yàn)可以測(cè)試撞蓋力,但模擬實(shí)驗(yàn)的前提是首先要知道火箭彈撞擊密封蓋瞬時(shí)的速度,再由撞蓋瞬時(shí)速度確定實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬彈的自由下落高度,因此,對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮的撞蓋問(wèn)題只能通過(guò)數(shù)值仿真予以解決。根據(jù)仿真結(jié)果,該火箭炮密封蓋經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì),并經(jīng)實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證,完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求。

通過(guò)對(duì)撞蓋力數(shù)值仿真過(guò)程分析知,影響仿真結(jié)果的,主要是結(jié)構(gòu)幾何模型、載荷、邊界約束及材料模型和參數(shù)。在本文研究中,由于火箭彈及密封蓋結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)幾何模型按照原設(shè)計(jì)形式保留了全部特征。定向鈕與定向管之間的摩擦力最大不會(huì)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的5%,忽略摩擦力不會(huì)對(duì)結(jié)果造成大的影響。事實(shí)上在研究過(guò)程中,也曾就摩擦力、火箭彈質(zhì)量變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響做過(guò)分析,如火箭彈質(zhì)量增加1.7 kg,火箭彈在定向管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加不到1 ms,對(duì)撞蓋響應(yīng)沒(méi)有本質(zhì)影響。除載荷外,材料模型及參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果影響較大,如在數(shù)值仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在其他參數(shù)不變情況下,密封蓋結(jié)構(gòu)材料彈性模量對(duì)其撞擊響應(yīng)影響較大。當(dāng)密封蓋材料彈性模量增加時(shí)其撞擊力迅速增加,并快速傳遞到預(yù)應(yīng)力槽處,很小的變形即可使密封蓋從預(yù)應(yīng)力槽處斷裂。

4 結(jié) 論

綜合分析可以得出結(jié)論:目前,數(shù)值仿真是解決儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮撞蓋問(wèn)題的唯一選擇,瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真不僅可以模擬實(shí)際火箭彈撞擊密封蓋的瞬態(tài)響應(yīng),解決實(shí)際火箭炮實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)試火箭彈撞擊密封蓋瞬態(tài)響應(yīng)的難題,而且具有較高的仿真精度,其數(shù)值仿真結(jié)果可作為儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱式火箭炮密封蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

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HU Guang-yu,LIU Chang-shun,HAN jun-li,et al.The feasibility analysis of nonmetal rocket pod/container(RP/C)technology[J].Journal of Gun Launch&Control,2003(2):59.(in Chinese)

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Numerical Simulation and Test Research on Impact Force of Rocket to Seal Cap

ZENG Zhi-yin,NING Bian-fang,SHAO Xiao-jun,LIU Peng-ke,ZHANG Jun-ling

(Northwest Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China)

T he seal cap design of rocket pod/container(RP/C)is one of the key technical problems in rocket launching device.The impacting force in the whole process of test during fire could not be acquired because of the specialty of this kind of rocket.Due to this reason,the impacting force of rocket to seal cap in a certain rocket pod/container(RP/C)were simulated and tested by use of LS-DYNA explicit center difference method.T his method can solve the difficult problem that the instantaneous response of seal cap impacted by rocket can not be tested to obtain during rocket launcher was carrying out the live fire.The numerical simulation results was compared with the test results,and the relative error was less than 12%.The numerical simulation results can provide a correct theory method for proper design of seal cap.According to the numerical simulation results,the improved design of seal cap was verified by means of launching experiment,and it can meet the qualification requirements of rocket launcher system.

solid mechanics;rocket pod/container(RP/C);rocket projectile;impacting force;numerical simulation;LS-DYNA

TJ714

A

1673-6524(2010)04-0020-04

2010-05-11;

2010-07-22

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613116)資助

曾志銀(1957―),男,研高,主要從事火炮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及射擊精度研究。E-mail:zzy202@126.com