李 陽，卜雄洙，徐淼淼，關(guān)振華

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094； 2.中國兵器第二○八研究所， 北京 102202)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

大口徑防爆彈彈帶擠進(jìn)過程仿真與分析

李 陽1，卜雄洙1，徐淼淼1，關(guān)振華2

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094； 2.中國兵器第二○八研究所， 北京 102202)

防爆彈的彈帶擠進(jìn)過程是其在內(nèi)彈道運動過程中的重要組成部分，彈帶擠進(jìn)時期的應(yīng)力應(yīng)變情況對提高火藥氣體密封、彈丸出膛初速等具有重要影響。根據(jù)Von Mises屈服準(zhǔn)則，建立了防爆彈3D結(jié)構(gòu)模型和材料模型看，利用顯式動力學(xué)分析軟件ANSYS/Explicit Dynamics對3D模型進(jìn)行了有限元分析，得到擠進(jìn)過程中彈帶的應(yīng)力集中區(qū)域和變形情況。根據(jù)受力平衡，計算了防爆彈動態(tài)擠進(jìn)阻力。數(shù)值仿真實驗結(jié)果為防爆彈彈帶、身管設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

擠進(jìn)阻力；防爆彈；有限元法

彈帶是防爆彈設(shè)計的重要部分。彈帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計，影響到防爆彈在槍膛內(nèi)起始擾動、火藥燃燒時的密封、彈頭出膛的初速以及彈頭與槍膛的摩擦接觸等各個方面[1]。隨著防爆武器的發(fā)展，為設(shè)計出新型、高效的防爆槍械，研究防暴槍動態(tài)擠進(jìn)過程中彈帶的應(yīng)力和變形情況，對改善防爆槍的彈帶設(shè)計、提高身管壽命具有重要意義[2]。防爆武器屬于非致命性武器，彈頭材料與普通殺傷性武器不同，采用尼龍和塑料等材料[3]。彈帶擠進(jìn)壓力、彈帶在擠進(jìn)時期變形的研究已有很多，但主要是針對各式火炮，針對防爆槍的彈帶擠進(jìn)過程研究較少[4-6]。本文以64 mm防爆彈為例，建立有限元模型，研究防爆彈在動態(tài)載荷作用下，彈帶擠進(jìn)阻力、彈帶各結(jié)構(gòu)上應(yīng)力、應(yīng)變隨位移的變化。

1 防爆彈擠進(jìn)模型有限元建模

1.1 幾何模型的建立

為研究防爆彈的動態(tài)擠進(jìn)過程，模型做如下假設(shè)[7]：

1) 不考慮卡膛過程，確定防爆彈的初始位置為彈帶與坡膛初始接觸；去掉身管內(nèi)的膛線，減少單元數(shù)量，縮短計算時間。

2) 簡化防爆彈上擠進(jìn)過程中無關(guān)部位的細(xì)小特征，使有限元模型網(wǎng)格劃分更加合理，計算時更易收斂。

3) 忽略發(fā)射時身管的后座、彈丸前端的空氣阻力和彈丸本身的重力影響；不考慮擠進(jìn)過程中的發(fā)熱影響。

建立防爆彈3D擠進(jìn)模型，防爆彈采用模型彈的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)以配重塊代替，仿真時可將彈丸在身管內(nèi)的運動看成是對稱的。如圖1所示。

圖1 防爆彈擠進(jìn)1/4-3D模型

1.2 材料模型

針對防爆彈彈頭材料的特殊性，彈頭采用尼龍1010，身管材料采用高強度碳素鋼50BA，配重塊采用AL 6061-T6材料，材料的參數(shù)定義如表1[8]。

表1 模型材料參數(shù)設(shè)定

配重塊和彈頭采用經(jīng)典的彈塑性材料本構(gòu)模型，雙線性等向強化(BISO)屈服模型

Y=Y0+AεP

(1)

其中：Y是材料的彈塑性材料屈服應(yīng)力；Y0是材料的屈服強度；A是材料的切線模量；εP是材料的塑性應(yīng)變。該模型適用于各向同性材料的大應(yīng)變問題。

防爆彈高速沖擊擠進(jìn)分析中，因防爆彈和身管坡膛部分產(chǎn)生高速摩擦，會產(chǎn)生高溫，并有大的塑性變形，且身管為金屬材料適用Johnson-Cook屈服模型[9]：

(2)

1.3 網(wǎng)格劃分

為了減少單元數(shù)量和節(jié)省計算時間，采用六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分法。擠進(jìn)模型中由3個部件身管、彈頭、配重塊組成。試驗中配重塊和彈頭通過螺紋和膠固定連接。因此，在網(wǎng)格劃分時將彈頭和配重塊視為整體，其網(wǎng)格應(yīng)保持相關(guān)性即在接觸的邊界上共用相同的節(jié)點。防爆彈的彈帶結(jié)構(gòu)不同于炮彈為單獨結(jié)構(gòu)，而是與彈頭一體，如圖2所示,為了增加彈帶處計算精度，在彈帶處對模型進(jìn)行了細(xì)化。模型主要采用了完全積分的線性六面體單元C3D8，減少了沙漏效應(yīng)，考慮到彈丸擠進(jìn)過程中主要受到切向應(yīng)力和正應(yīng)力，不存在承受彎曲載荷的情況，因此不考慮單元剪切自鎖現(xiàn)象。由于彈頭模型的不是規(guī)則形狀，在彈頭內(nèi)部還有少量的線性四面體單元C3D4，和線性楔形單元C3D6。

圖2 模型網(wǎng)格細(xì)化

1.4 邊界條件和載荷

根據(jù)實際擠進(jìn)情況，在身管底面施加支撐條件，限制身管在彈丸運動方向的自由度，同時在身管外圈上限制徑向自由度。由于防爆彈動態(tài)擠進(jìn)過程復(fù)雜，防爆彈在擠進(jìn)前已經(jīng)歷了火藥燃燒推進(jìn)加速卡膛的過程，防爆彈在擠進(jìn)前即具有較高的運動速度。同時彈底壓力隨火藥燃燒和防爆彈的擠進(jìn)動態(tài)變化。不考慮卡膛過程，假設(shè)彈丸在擠進(jìn)前初始速度為零，研究其在變化的膛壓作用下，彈帶在擠進(jìn)過程中的應(yīng)力與應(yīng)變情況。防爆彈的彈底壓力，按照防爆槍理論膛壓曲線的形式，峰值取35 MPa，脈寬取4 ms[10]。

2 數(shù)值計算與仿真結(jié)果分析

防爆彈擠進(jìn)模型采用顯式動力學(xué)分析軟件Ansys/explicit dynamics進(jìn)行計算。軟件在沖擊信號不連續(xù)點處，通常得不到穩(wěn)定的結(jié)果，為提高軟件計算結(jié)果的穩(wěn)定性設(shè)置了二次人工阻尼黏度系數(shù)，為減少噪聲設(shè)置了線性人工黏度系數(shù)。

2.1 防爆彈在身管內(nèi)的運動與受力情況

防爆彈在身管內(nèi)的擠進(jìn)過程，主要表現(xiàn)為彈帶在身管內(nèi)發(fā)生形變的過程，根據(jù)防爆彈彈帶在身管內(nèi)的擠進(jìn)摩擦情況將防爆彈的擠進(jìn)過程分為3個階段，如圖3所示。

圖3 防爆彈在身管內(nèi)的擠進(jìn)過程

1) 起始位置，防爆彈彈帶與坡膛初始接觸；

2) 防爆彈的彈帶在坡膛內(nèi)運動,行程為L1段，L1=3.44 mm；

3) 防爆彈的彈帶同時在坡膛和彈膛內(nèi)運動,行程為L2段，L1=12.1 mm；

4) 防爆彈的彈帶離開坡膛，只在彈膛內(nèi)運動，即L2以后的行程，這里為L3。

防爆彈位移(L1+L2)=15.54 mm后，彈帶全部進(jìn)入彈膛，擠進(jìn)過程結(jié)束。因此，在分析防爆彈擠進(jìn)過程時只需觀察30 mm位移內(nèi)的防爆彈彈帶上的應(yīng)力、應(yīng)變即可。

從仿真結(jié)果可見，防爆彈彈帶在擠進(jìn)過程受身管擠壓與摩擦的等效應(yīng)力集中區(qū)域，如圖4所示。

圖4 各行程應(yīng)力集中數(shù)值模擬示意圖

在L1階段，防爆彈由靜止到開始擠進(jìn)坡膛，應(yīng)力集中在彈底和彈帶前部，最大值為48 MPa。在L2階段隨著彈帶離開坡膛進(jìn)入彈膛中，彈帶前端已發(fā)生明顯的塑性變形，應(yīng)力集中的部位向彈帶中間移動，此時最大應(yīng)力值為47.8 MPa。在L3階段，彈帶完全離開坡膛，進(jìn)入彈膛，彈帶的變形相對穩(wěn)定，應(yīng)力波動變小，應(yīng)力達(dá)到最大值50 MPa。L1階段：彈帶由靜止到開始進(jìn)入坡膛，彈底壓力上升，彈帶前端材料的強迫量增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象快速發(fā)生在前端，見圖4(a)中L1段；L2階段：彈帶已全部位于彈膛和坡膛中，彈帶材料均已發(fā)生變形，此時隨著彈帶材料由坡膛進(jìn)入彈膛，應(yīng)力集中發(fā)生在彈膛入口處，應(yīng)力集中部位開始向彈帶中后部位移動；L3階段:彈帶完全進(jìn)入彈膛內(nèi)，彈帶材料被身管擠壓，有一個明顯的向后流動,應(yīng)力集中發(fā)生在了彈帶尾部，此時整條彈帶變形量達(dá)到最大，最大應(yīng)力維持在一個較穩(wěn)定的值[11-12]。

2.2 彈帶各結(jié)構(gòu)上應(yīng)力、應(yīng)變分析

為分析彈帶各結(jié)構(gòu)在擠進(jìn)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化，在彈帶上沿運動方向取3個節(jié)點a、b、c分別位于彈帶的前、中、后區(qū)域，如圖5(a)。比較3個節(jié)點在擠進(jìn)過程中的Von Mises等效應(yīng)力、應(yīng)變情況。

圖5(b)中,左邊一個垂直于s軸的虛線代表L1階段的范圍、其與第二根垂直的虛線之間代表L2階段。彈帶由坡膛進(jìn)入彈膛的過程中，彈帶前部a點應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力極大值為13 MPa，a點應(yīng)力增加的情況并不劇烈。彈帶前部設(shè)計采用了斜面結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力快速變化的情況下，使得材料應(yīng)力和應(yīng)變盡量減少，保證了彈帶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。彈帶上b點處應(yīng)力比a點大，應(yīng)變相對平緩。彈帶尾部c點應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生了一個快速變化由0.34 MPa上升到42 MPa，應(yīng)力達(dá)到了一個極大值。首先，彈帶尾部結(jié)構(gòu)與前部不同，沒有斜面設(shè)計；其次彈帶在擠進(jìn)過程中材料整體向后流動，使得彈帶尾部產(chǎn)生了體積堆積，引起應(yīng)力場的快速變化；同時當(dāng)其由坡膛進(jìn)入彈膛時，物理環(huán)境發(fā)生巨大改變，使彈帶上的應(yīng)變產(chǎn)生了階躍的變化。3個節(jié)點的應(yīng)變變化趨勢與應(yīng)力基本相同，只在b節(jié)點處應(yīng)力極大時應(yīng)變并不是很大。這是由于b節(jié)點位于彈帶中部,前后單元形狀類似，且變形時沒有結(jié)構(gòu)上的突變。

通過以上分析，在彈帶前部設(shè)計斜面，有效地在應(yīng)力突變的情況下，降低了最大應(yīng)力。合適的斜面角度，可以使得彈帶進(jìn)入坡膛時應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的損壞。其次，彈帶在擠進(jìn)過程中整體的形狀沿擠進(jìn)反方向變化，在彈帶尾部堆積，應(yīng)力、應(yīng)變均發(fā)生極大變化，在彈帶尾部c節(jié)點最大應(yīng)力42 MPa接近材料的強度極限，此處為彈帶上結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大之處。

圖5 彈帶上前中后3個部位的應(yīng)力σ、應(yīng)變ε與行程s

2.3 彈丸擠進(jìn)阻力的計算

防爆彈在運動方向上的受力平衡，根據(jù)牛頓第二定律，得到擠進(jìn)運動過程方程[13]：

SDPD-Ma=FZ

(3)

其中：SD為彈底受力面積；PD為彈底壓力；M為防爆彈質(zhì)量；a為防爆彈在質(zhì)心處節(jié)點的加速度；FZ為彈丸在擠進(jìn)過程中受到的阻力。

數(shù)值模擬得防爆彈的質(zhì)心節(jié)點處加速度與行程關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 防爆彈質(zhì)心節(jié)點加速度-位移曲線

質(zhì)心節(jié)點加速度代入式(3)，分段擬合得到防爆彈擠進(jìn)阻力-位移曲線，如圖7所示。

圖7 擠進(jìn)阻力-位移曲線

在圖7，防爆彈受到的擠進(jìn)阻力在L1、L2、L3階段交界處附近發(fā)生突變，這是因為防爆彈在擠進(jìn)過程中的運動環(huán)境發(fā)生突然改變，擠進(jìn)阻力最大值為8.9 kN。

L1、L2為彈帶的擠進(jìn)階段，此時隨著彈帶不斷進(jìn)入身管內(nèi)，摩擦接觸面積增大，同時彈帶受力變形逐漸加劇，阻力不斷上升。當(dāng)彈帶完全擠入彈膛時L3階段，此時彈帶與彈膛摩擦面達(dá)到最大，材料變形完全發(fā)生，阻力維持在較大的穩(wěn)定值。

3 結(jié)束語

以64 mm防爆彈彈帶擠進(jìn)過程中彈帶應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檠芯繉ο?，針對模型不同材料分別采用了BIOS和Johnson-cook彈塑性本構(gòu)模型，在有限元軟件Ansys/Explicit中建立了彈帶擠進(jìn)過程的非線性動力學(xué)模型，利用顯式算法解算有限元模型，得到在擠進(jìn)過程中防爆彈彈帶上的應(yīng)力集中區(qū)域，同時分析了防爆彈在擠進(jìn)過程中彈帶各結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況，給出了防爆彈的擠進(jìn)阻力和位移的關(guān)系曲線，為防爆彈彈帶結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

[1] 顧文彬,趙有守,陶耀興.尼龍彈帶坡膛擠進(jìn)過程中應(yīng)力應(yīng)變分析[J].彈道學(xué)報,1994(3):5-13.

[2] 孫全兆,楊國來,王鵬,等.某大口徑榴彈炮彈帶擠進(jìn)過程數(shù)值模擬研究[J].兵工學(xué)報,2015,36(2):206-213.

[3] 關(guān)振華,朱平,孔斌.國產(chǎn)64mm防暴子母彈系列[J].輕兵器,2010(7):18-19.

[4] SOUTH JOSEPH，YIOURNAS ARISTEDES.A Study of the Engraving of the M855 5.56-mm Projectile [R]．[ S.l．]:[s.n.],2008.

[5] MA MING-DI,WS CUI,ZY ZENG,et al.Engraving process analysis of projectiles based on coupling of FEM and SPH[J].Vibration & Shock,2015,34(6):146-150.

[6] 陸野,周克棟,赫雷,等.坡膛結(jié)構(gòu)參數(shù)對槍械內(nèi)彈道擠進(jìn)時期的影響研究[J].兵工學(xué)報,2015,36(7):1363-1369.

[7] 李宣榮.高速沖擊擠進(jìn)問題的瞬態(tài)有限元分析[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2014.

[8] 米糧川,高樹滋,賴長纓.內(nèi)彈道彈帶擠進(jìn)過程仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2012,32(1):133-135.

[9] 邱從禮,侯日升,趙鋒,等.考慮彈丸動態(tài)沖擊條件下的內(nèi)彈道性能研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2014,34(4):140-142.

[10]劉文瑤,吳占文,李鵬軍,等.防暴武器內(nèi)彈道仿真計算軟件研究[J].計算機仿真,2013,30(6):29-33.

[11]楊斌,張越.防爆彈丸擠進(jìn)過程的彈丸變形應(yīng)力[J].四川兵工學(xué)報,2011,32(9):13-14.

[12]肖攀.高速沖擊擠進(jìn)問題的動力學(xué)建模與瞬態(tài)有限元分析[D].南京:南京理工大學(xué),2003.

[13]王鵬,楊國來,葛建立,等.基于Johnson-Cook本構(gòu)模型的彈帶擠進(jìn)過程數(shù)值模擬[J].彈道學(xué)報,2015,27(2):55-61.

[14]胡慧斌，陳樹肖，王洪波，等.彈帶擠進(jìn)膛線過程摩擦磨損試驗及失效機理分析[J].火力與指揮控制，2015(12):167-170.

(責(zé)任編輯周江川)

Simulation and Analysis of Band Engraving Process for Large-Caliber Explosion-Proof Bullet

LI Yang1, BU Xiong-zhu1, XU Miao-miao1, GUAN Zhen-hua2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing 102202, China)

Explosion-proof bullet band engraving process is an important part of the interior ballistic moving process, and the engraving period of stress and strain have important effects on improving the propellant gas seal, the projectile muzzle velocity and so on. Firstly, according to the Mises Von yield criterion, we established the 3D structure model and material model. By using the explicit dynamic analysis software ANSYS/Explicit dynamics, we analyzed the 3D models and got the stress concentration and deformation region in the engraving process. Finally, according to the force balance, we computed the dynamic engraving resistance. The experimental results of numerical simulation provide a theoretical basis for the design of explosion proof and body tube.

engraving resistance; explosion-proof bullet; finite element method

2016-08-26；

2016-09-27

李陽(1988—)，男，碩士研究生，主要從事彈丸擠進(jìn)壓力測試研究。

10.11809/scbgxb2017.01.015

李陽，卜雄洙，徐淼淼，等.大口徑防爆彈彈帶擠進(jìn)過程仿真與分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):59-62.

format:LI Yang, BU Xiong-zhu, XU Miao-miao,et al.Simulation and Analysis of Band Engraving Process for Large-Caliber Explosion-Proof Bullet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):59-62.

TJ27

A