宋 勇，陶 苑，李昌坤，羅文建，肖秀友

(1中國兵器工業(yè)第59研究所，重慶 400039;2南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

早期彈藥研制受條件限制，通常采用“畫+打”的形式，即在結(jié)構(gòu)設(shè)計完之后，采用工程算法進行校核，然后通過試驗驗證，一般需要較長的研制周期和大量的研制經(jīng)費。隨著戰(zhàn)爭多元化的發(fā)展，對武器彈藥的功能和性能提出了更高的要求，因此，彈藥的結(jié)構(gòu)也越加復雜，受力也較復雜，設(shè)計過程通過工程算法很難或無法計算。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展的越加成熟，人們結(jié)合試驗結(jié)果逐漸完善仿真軟件中的算法，使仿真結(jié)果越來越與現(xiàn)實試驗情況相符合。在國外，CAE技術(shù)已廣泛應用于彈藥設(shè)計領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，應用仿真軟件指導產(chǎn)品設(shè)計可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍，增加材料利用率25%，降低工程技術(shù)成本13% ～30%，降低人工成本5% ～20%，縮短產(chǎn)品設(shè)計試制周期30% ～60%，增加分析問題廣度和深度的能力3～3.5 倍。

文中應用UG三維建模軟件對某制導炮彈全彈實體建模，然后把模型導入仿真軟件ANSYS Work-Bench中進行強度分析，通過設(shè)定模型材料屬性、離散模型、選擇分析類型、添加約束、施加外力、選擇求解類型，最后求解即可得到全彈的應力、應變分布情況，可以為全彈提供直觀的設(shè)計參考。

1 尾段殼體結(jié)構(gòu)與受力分析

某制導炮彈主要由導引探測段、修正艙段、戰(zhàn)斗部和尾翼段等組成，其結(jié)構(gòu)分布示意圖如圖1。

圖1 某制導炮彈結(jié)構(gòu)分布示意圖

尾翼段包括尾段殼體、尾翼和彈底，主要起飛行穩(wěn)定功能，尾段殼體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，起支撐、保護尾翼裝置的作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接影響強度，乃至全彈的穩(wěn)定性，對全彈有至關(guān)重要的作用。

圖2 尾段殼體

彈丸發(fā)射時，炮膛內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，直接作用到彈底部，對彈丸產(chǎn)生巨大推力，同時彈丸在滑動彈帶和膛壓的作用下旋轉(zhuǎn)。尾段殼體受到離心力和過載的綜合作用，當膛壓達到最大260MPa時，彈丸轉(zhuǎn)速也接近最大值，此時受力環(huán)境最為嚴酷，計算此時尾段殼體的應力、應變分布，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。

2 仿真計算

2.1 初始條件

尾段殼體材料為35CrMnSiA，其材料密度為7.8g/cm3，楊氏模量(Young's Modulus)為 290GPa，泊松比(Poisson's Ratio)為 0.3，殼體壁厚 7.5mm ，材料σs≥1280MPa，σb≥1620MPa。

理論計算，彈丸受最大260MPa膛壓時，加速度為 97618.0m/s2，轉(zhuǎn)速約為 138rad/s。

2.2 建模并導入分析軟件

根據(jù)全彈實際尺寸，應用UG軟件建立3D模型，并把建立好的3D模型導入ANSYS WorkBench分析模塊。由于要計算彈丸在某時刻的受力分布，故選擇Static Structural分析類型。

2.3 設(shè)定材料屬性

分別設(shè)置全彈的材料屬性，包括楊氏模量、泊松比、抗拉強度和屈服強度等參數(shù)，尾段殼體材料屬性設(shè)置對話框見圖3。

圖3 尾段殼體材料屬性設(shè)置對話框

2.4 離散模型

對全彈進行網(wǎng)格劃分，尾段殼體的過渡區(qū)域主要是由弧形和直角構(gòu)成的，選擇適合本結(jié)構(gòu)計算的四面體網(wǎng)格(Tet meshing)。尾段殼體離散后共得到133106個節(jié)點和69760個單元，如圖4。

圖4 離散后的模型

2.5 施加載荷、約束

通過軟件自動識別功能，可以識別零部件間接觸面。然后，以彈丸底部端面為參考面，彈帶槽處施加固定約束，整個單體施加過載97618.0m/s2，轉(zhuǎn)速設(shè)定 138rad/s，見圖 5。

圖5 過載、轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定

2.6 設(shè)置求解類型及求解

設(shè)置變形(deformation)和應力(stress)等效求解類型，求解后的殼體形變、應力分布云圖見圖6、圖7。仿真結(jié)果表明，殼體徑向最大應變約為0.27mm，軸向應變約為0.08mm，應力最大值約為1129.4MPa。

圖6 尾段殼體應變分布云圖

圖7 尾段殼體應力分布云圖(半剖)

3 靶場強度試驗

2008年，本項目在試驗場進行了全彈的發(fā)射強度試驗，共試驗3發(fā)。試驗中，使用銅柱測壓，試驗數(shù)據(jù)見表1，試驗過程中沒有發(fā)生異常情況，試驗前后尾段殼體見圖8。

表1 試驗數(shù)據(jù)

圖8 尾段殼體試驗前后對比

4 結(jié)論

利用UG三維建模軟件和ANSYS WorkBench仿真軟件對彈藥設(shè)計進行建模和仿真，較以前的工程計算有無可比擬的優(yōu)勢。經(jīng)試驗驗證，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，能夠為設(shè)計提供參考。

以后，彈藥設(shè)計領(lǐng)域中，應加大仿真技術(shù)應用，改變以前落后的設(shè)計方式，提高設(shè)計效率，節(jié)約設(shè)計成本。

[1]金志明.高速推進內(nèi)彈道學[M].北京:國防工業(yè)出版社，2001.

[2]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學出版社，2008.

[3]魏惠之，朱鶴松，汪東暉，等.彈丸設(shè)計理論[M].南京:南京理工大學出版社，1982.

[4]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社，2001.

[5]范欽珊，王波，殷雅俊.材料力學[M].北京:高等教育出版社，2000.