段良雷，錢建平

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

箱裝彈藥在跌落過(guò)程中會(huì)受到較大的沖擊，所受沖擊的大小直接決定了箱裝彈藥的安全性和可靠性。為了研究箱裝彈藥在跌落沖擊過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，最直接的方法就是進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際情況，但是這樣做需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，造成資源的浪費(fèi)[1]，并要承受較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著產(chǎn)品包裝件跌落分析研究的深入以及仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，包裝件跌落測(cè)試領(lǐng)域開(kāi)始引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[2]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)各類物品的跌落進(jìn)行了充分的研究[3-8]。但是運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)箱裝彈藥跌落過(guò)程所做的研究較少而且不充分。本文旨在通過(guò)建立箱裝彈藥合理的分析模型，對(duì)其跌落過(guò)程進(jìn)行有限元仿真分析，為今后進(jìn)一步開(kāi)展箱裝彈藥跌落安全性分析提供參考依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 跌落組件模型

箱裝彈藥跌落系統(tǒng)(下文統(tǒng)稱為跌落組件)由彈藥箱、彈丸、藥筒、引信、蜂窩紙板以及貨臺(tái)組成，彈丸上帶有防塵塞，引信豎直放置于箱體中。忽略彈藥箱上的卡扣裝置、木板裝訂的鐵片、彈帶以及倒角。本文對(duì)藥筒以及引信模型做簡(jiǎn)化處理，藥筒視為空心圓柱體，藥筒內(nèi)的發(fā)射藥視為實(shí)心圓柱體，引信視為實(shí)心圓柱體。為便于進(jìn)行后續(xù)處理，直接在ANSYS中建立跌落組件模型，其剖面圖如圖1所示。

圖1 跌落組件剖面圖

1.2 材料屬性設(shè)置

彈藥箱的材料為松木，是一種各向異性非線性彈塑性材料，材料模型選用LS-DYNA材料庫(kù)中的* MAT_ WOOD_ PINE，設(shè)置好含水率等參數(shù)后就能夠較好地體現(xiàn)松木的力學(xué)特性[9]。蜂窩紙板的材料模型選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，其余部件均選用線彈性材料。將貨臺(tái)上的吊掛裝置連接件等部件等效為貨臺(tái)外框，材料參數(shù)僅做等效處理；炸藥和發(fā)射藥的力學(xué)特性對(duì)仿真結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，此處僅作為配重填充物；跌落地面為水泥地面。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

首先對(duì)蜂窩紙板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用薄殼單元SHELL163,網(wǎng)格形狀為四邊形，網(wǎng)格劃分方式為映射網(wǎng)格劃分[10]。然后對(duì)其余部件分別進(jìn)行切割操作，采用三維實(shí)體單元SOLID164，網(wǎng)格形狀為六面體，網(wǎng)格劃分方式為掃略或映射網(wǎng)格劃分，所得有限元模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分后的箱裝彈藥模型圖

1.4 接觸設(shè)置

考慮到跌落碰撞問(wèn)題屬于復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以采用自動(dòng)單面接觸，各部件之間的摩擦因數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 摩擦因數(shù)

2 跌落仿真分析

跌落組件在降落傘的牽引下不斷減速至平穩(wěn)下落，最終以一定速度著陸[1]，此處將上述過(guò)程等效為從2.5 m高處跌落的自由落體運(yùn)動(dòng)。利用ANSYS/LS-DYNA中的跌落模塊(Drop Test Module)對(duì)跌落組件自2.5 m高處垂直跌落至水泥地面的工況進(jìn)行仿真，為了減少計(jì)算時(shí)間，將貨臺(tái)距地面的初始距離設(shè)置為0.02 mm，求解時(shí)間設(shè)置為20 ms，結(jié)果數(shù)據(jù)輸出步數(shù)設(shè)置為100。仿真得到彈丸的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，沖擊加速度曲線如圖4所示，本文中的彈丸應(yīng)力均是指彈丸的Mises等效應(yīng)力。

如圖3所示，跌落組件自2.5 m高處垂直跌落時(shí)下面彈丸的最大應(yīng)力為33.7 MPa，上面彈丸的最大應(yīng)力為27.6 MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在彈丸與卡板接觸處，數(shù)值遠(yuǎn)小于鋼的屈服強(qiáng)度。

如圖4所示，跌落組件自2.5 m高處垂直跌落時(shí)，下面彈丸的加速度峰值為1 840.8 m/s2，上面彈丸的加速度峰值為1 151.3 m/s2。與下面彈丸相比，上面彈丸的加速度響應(yīng)明顯滯后，且峰值要小得多，因此下文中重點(diǎn)關(guān)注下面彈丸所受過(guò)載的狀況，下文中的彈丸均指下面彈丸。

圖3 彈丸應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力分布云圖

圖4 彈丸沖擊加速度時(shí)間歷程曲線

2.1 跌落姿態(tài)對(duì)彈丸跌落沖擊響應(yīng)的影響

跌落組件以垂直于地面的姿態(tài)著陸是一種理想的工況，實(shí)際上跌落組件著陸時(shí)，首先接觸到地面的可能是貨臺(tái)的某一條棱邊(稱為楞跌落)或某一個(gè)角(稱為角跌落)，如圖5、圖6所示。如果跌落組件著陸時(shí)傾斜角度過(guò)大，就可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻，應(yīng)避免這種情況的發(fā)生，因此下面僅對(duì)跌落組件從2.5 m高處以小角度楞跌落或角跌落時(shí)的工況進(jìn)行仿真分析。

由圖7、圖8可知：楞跌落與角跌落時(shí)彈丸的最大加速度值均小于垂直跌落時(shí)彈丸的最大加速度值。而且隨著傾斜角度的增大，彈丸的最大加速度逐漸減小且出現(xiàn)的時(shí)間明顯推遲。與楞跌落相比，在相同的傾斜角度下，角跌落時(shí)彈丸的最大加速度更小。

圖5 楞跌落

圖6 角跌落

圖7 楞跌落傾斜角度對(duì)彈丸沖擊加速度的影響

圖8 角跌落傾斜角度對(duì)彈丸沖擊加速度的影響

由表3可知：跌落姿態(tài)對(duì)彈丸所受最大應(yīng)力的影響規(guī)律與對(duì)最大加速度的影響規(guī)律相似。因此跌落組件在降落傘的牽引下做輕微晃動(dòng)以小角度傾斜于地面著陸不會(huì)降低彈丸的安全性，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是角跌落和楞跌落時(shí)蜂窩紙板與貨臺(tái)的形變量都要大于垂直跌落時(shí)的形變量，吸收了更多的能量。

表3 不同跌落姿態(tài)下彈丸的最大應(yīng)力

2.2 堆摞箱數(shù)對(duì)彈丸跌落沖擊響應(yīng)的影響

通過(guò)上文的分析可知，兩箱堆摞起來(lái)進(jìn)行垂直跌落或小角度傾斜跌落時(shí)，可以保證彈藥的安全。提高空投彈藥效率的方法之一是在保證彈藥安全的前提下增加堆摞的箱數(shù)，考慮到堆摞箱數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致重心過(guò)高，容易傾覆，下面只對(duì)3箱和4箱堆摞在一起自2.5 m高處垂直跌落的工況進(jìn)行仿真。

由圖9和圖10可知：3箱跌落與4箱跌落時(shí)彈丸的最大應(yīng)力分別為29.94 MPa和29.26 MPa，最大加速度分別為1 590.1 m/s2和1 529.0 m/s2。與兩箱跌落時(shí)相比，3箱跌落與4箱跌落時(shí)彈丸的最大應(yīng)力與最大加速度均有所減小，因此將堆摞箱數(shù)增加至3箱與4箱進(jìn)行垂直跌落時(shí)彈藥的安全性不會(huì)降低。但隨著堆摞箱數(shù)的增加，處于下方的彈藥箱所受到的沖擊力會(huì)大幅度增加且跌落組件的穩(wěn)定性會(huì)降低，因此堆摞箱數(shù)不宜過(guò)多。

3 驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)所采用的跌落測(cè)試系統(tǒng)由加速度測(cè)試裝置、加速度傳感器和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分組成。將加速度測(cè)試裝置布置在彈藥箱內(nèi)，加速度傳感器布置在彈丸質(zhì)心附近，軸線垂直于彈丸豎直放置。用起重機(jī)將跌落件吊裝到2.5 m高處，使其隨彈丸下落，從而測(cè)得加速度值，兩次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的加速度如圖11所示。

由圖11可知：兩次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的最大加速度值分別為 1 150 m/s2和1 090 m/s2；由圖7和圖8可知：跌落件自2.5 m高處傾斜2°、4°楞跌落時(shí)仿真所得彈丸的最大加速度值分別為1 657 m/s2和995 m/s2，傾斜2°、4°角跌落時(shí)仿真所得彈丸的最大加速度值分別為1 166 m/s2和870 m/s2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傾斜4°楞跌落、傾斜2°角跌落時(shí)仿真所得結(jié)果相近，由于在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，跌落件以小角度傾斜于地面跌落的概率較大，因此以楞跌落和角跌落仿真所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)照是合理的，仿真結(jié)果可信。

圖9 彈丸應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力分布云圖

圖10 彈丸沖擊加速度時(shí)間歷程曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)箱裝彈藥進(jìn)行了不同工況下的跌落仿真，得到了跌落沖擊過(guò)程中彈丸的應(yīng)力及加速度數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該型箱裝彈藥以小角度傾斜于地面著陸不會(huì)降低彈丸的安全性；在垂直跌落的前提下，可以將堆摞箱數(shù)增加至3箱、4箱；經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可信，可以為進(jìn)一步開(kāi)展箱裝彈藥跌落安全性分析提供參考依據(jù)。