梁建峰，岳浩然，劉文舉，楊 力，楊 廣，李光濤

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

坦克裝甲車輛在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中依然占據(jù)主導(dǎo)地位,反裝甲任務(wù)迫切,而具有高效費(fèi)比的末敏彈可以有效毀傷裝甲目標(biāo)[1-3]。末敏彈[4]全稱末端敏感彈藥,又稱“敏感器引爆彈藥”或“現(xiàn)代末敏彈”,是一種能夠在彈道末端探測(cè)出目標(biāo)的存在,并使戰(zhàn)斗部朝著目標(biāo)方向爆炸的現(xiàn)代彈藥,主要用于自主攻擊裝甲車輛的頂裝甲。末敏子彈工作時(shí)以母彈為載體抵達(dá)目標(biāo)上空,在規(guī)定高度從母彈中拋出,經(jīng)過減速減旋后,張開主旋傘,并繼續(xù)減速,直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)傘-彈系統(tǒng)一邊勻速下降,一邊繞鉛垂線勻速旋轉(zhuǎn)[5]。在21世紀(jì)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、命中概率高、毀傷效果好、效費(fèi)比高和發(fā)射后不管等優(yōu)點(diǎn)[6]。

加榴炮末敏彈適配于混合膛線身管(前段為漸速膛線,后段為等齊膛線)的自行加榴炮(以下簡稱自行炮)。該末敏彈在與等齊膛線身管的車載加榴炮武器系統(tǒng)(以下簡稱車載炮)的適配性試驗(yàn)中出現(xiàn)了炮口彈底脫落的現(xiàn)象。新型車載炮與自行炮的炮管坡膛結(jié)構(gòu)相同,其內(nèi)彈道結(jié)構(gòu)也一致,區(qū)別僅在于膛線。試驗(yàn)結(jié)果證明末敏彈不能適配于等齊膛線身管的新型車載炮。

因此,結(jié)合有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析方法,通過對(duì)彈丸擠入膛線過程及其導(dǎo)旋機(jī)理的細(xì)致分析,判斷彈底脫落原因,并給出末敏彈結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案,通過試驗(yàn)證明其改進(jìn)可行性。

1 末敏彈結(jié)構(gòu)組成與功能概述

炮射末敏彈由末敏彈丸和發(fā)射裝藥組成,其中末敏彈丸由母彈和兩枚末敏子彈組成。兩條導(dǎo)帶分別位于彈體和彈底上,彈底與彈體由左旋螺紋連接。末敏子彈的導(dǎo)旋鍵嵌入母彈內(nèi)壁上的鍵槽內(nèi),結(jié)合彈底摩擦力的作用使得在發(fā)射過程中子彈和母彈不發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。末敏彈丸結(jié)構(gòu)如圖1所示。末敏彈飛行到目標(biāo)上空后引信作用點(diǎn)燃拋射藥,在火藥氣體的作用下剪斷彈底與彈體的連接螺紋,拋射出兩枚末敏子彈,之后完成分離開傘、穩(wěn)態(tài)掃描并作用攻擊的流程。

2 彈底脫落原因分析

彈底和彈體由螺紋連接[7],此連接螺紋既需要在發(fā)射過程中承擔(dān)兩枚子彈的軸向過載,還需要保證在子彈拋射過程中可以可靠剪斷。文中主要對(duì)彈底在擠入膛線過程中的螺紋失效進(jìn)行分析。

彈丸擠入膛線時(shí),僅后導(dǎo)帶凸緣前沿與坡膛內(nèi)壁接觸,導(dǎo)帶其他部分不和坡膛接觸。導(dǎo)帶坡膛內(nèi)定位狀態(tài)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)帶膛內(nèi)定位狀態(tài)Fig.2 Positioning status inside the guide belt bore

在彈丸擠入過程中,與坡膛部位接觸的導(dǎo)帶發(fā)生了復(fù)雜的彈塑性變形,后導(dǎo)帶與坡膛的接觸面積逐漸增大并在接觸面上產(chǎn)生接觸應(yīng)力。彈丸嵌入過程的導(dǎo)帶和炮管之間的摩擦阻力與接觸應(yīng)力和接觸面積相關(guān)[8]：

Ff=?τKcosαKdSK

(1)

式中：Ff為帶和炮管之間的摩擦阻力;τK為導(dǎo)帶與炮管之間的切向接觸應(yīng)力;αK為坡膛角;SK為坡膛與導(dǎo)帶的接觸面積。

在后導(dǎo)帶即將嵌入膛線的時(shí)刻,導(dǎo)帶與坡膛的接觸面積最大,摩擦阻力也達(dá)到最大值。前導(dǎo)帶嵌入火炮身管膛線過程中,因身管膛線纏角產(chǎn)生的導(dǎo)旋力矩使彈丸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從彈底向彈頭看右轉(zhuǎn))。由于后導(dǎo)帶和坡膛之間存在摩擦阻力,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)阻礙彈底與彈體同步旋轉(zhuǎn)的左旋力矩,該力矩使彈底與彈體的連接螺紋越旋越緊。當(dāng)彈丸軸向運(yùn)動(dòng)一定距離時(shí),前導(dǎo)帶完全嵌入膛線,后導(dǎo)帶前沿接觸膛線,此時(shí)后導(dǎo)帶與坡膛的接觸面積最大,摩擦力達(dá)到最大值,阻礙彈底與彈體同步旋轉(zhuǎn)的左旋力矩也達(dá)到最大值,且與彈丸的導(dǎo)旋力矩相當(dāng)。此時(shí),當(dāng)彈底與彈體之間的連接螺紋所能承受的力矩小于彈丸導(dǎo)旋力矩時(shí),連接螺紋將被破壞,彈底脫落。

2.1 彈丸擠進(jìn)過程螺紋破壞理論計(jì)算

在彈丸擠進(jìn)過程中,彈體和彈底連接螺紋上的擰緊力矩為彈丸的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩,導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩正比于身管膛線纏角正切值和膛壓[9]：

(2)

式中：M為導(dǎo)旋力矩;p為膛壓;Jx為彈丸極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為彈丸質(zhì)量;α為膛線纏角;d為彈丸直徑。

經(jīng)計(jì)算,車載炮上的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩為13 158 N·m,自行炮上的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩為5 299 N·m。從結(jié)果可以看出在該位置等齊膛線產(chǎn)生的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩均是漸速膛線的2.5倍。

在后導(dǎo)帶嵌入膛線之前,由于導(dǎo)帶和坡膛之間摩擦阻力矩的存在,彈底不旋轉(zhuǎn),導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩作用在連接螺紋上產(chǎn)生的擰緊力矩等于螺紋副間的摩擦阻力矩和彈體、彈底接觸環(huán)形端面摩擦阻力矩之和。即：

T=T1+T2

(3)

(4)

(5)

則螺紋上受到的軸向力為：

(6)

式中：T為擰緊力矩;T1為螺紋副間的摩擦阻力矩;T2為彈體、彈底接觸環(huán)形端面摩擦阻力矩;F為連接螺紋上受到的軸向力;dcp為螺紋中徑;λ為螺紋升角;ψ為螺紋副的當(dāng)量摩擦角,ψ=arctan(1.155fd)(fd為摩擦系數(shù),fd=0.10～0.15);f為彈體、彈底接觸環(huán)形端面摩擦系數(shù),取0.15;D0為彈體、彈底接觸環(huán)形端面外徑;d0為彈體、彈底接觸環(huán)形端面內(nèi)徑。

根據(jù)不同的當(dāng)量摩擦角可分別計(jì)算后導(dǎo)帶接觸膛線時(shí)連接螺紋所受到的軸向力：等齊膛線在535 895～649 558 N之間,漸速膛線在218 051～264 300 N之間。

螺紋牙在軸向力作用下,產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為：

(7)

式中：τ為螺紋牙剪切應(yīng)力;kz為載荷不均系數(shù),kz≈0.5;d2為彈底螺紋小徑;b為單個(gè)螺紋剪切寬度,b=0.87p,p為螺距;u為連接扣數(shù)。

根據(jù)不同的當(dāng)量摩擦角計(jì)算彈底和彈體之間連接螺紋剪切應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 螺紋牙剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of shear stress on threaded teeth

彈底材料的屈服極限為1 300 MPa,選擇的剪切許用應(yīng)力為650 MPa。計(jì)算結(jié)果表明,在等齊膛線火炮上,末敏彈在導(dǎo)帶嵌入膛線過程中,連接螺紋產(chǎn)生的剪切應(yīng)力在740～897 MPa之間,大于其許用剪切應(yīng)力,引起螺紋破壞。在漸速膛線火炮上,連接螺紋產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力為365 MPa,小于其許用剪切應(yīng)力,連接螺紋不會(huì)被破壞。

2.2 彈丸擠進(jìn)過程有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證破壞原因,采用動(dòng)力學(xué)仿真方法,分別模擬末敏彈嵌入兩種不同身管的過程,分析導(dǎo)帶、彈體和彈底之間的連接螺紋在不同身管結(jié)構(gòu)下的受力狀況和運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)身管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、計(jì)算,結(jié)合TureGrid軟件建立身管非線性六面體有限元模型。

結(jié)合TureGrid軟件建立末敏彈非線性六面體有限元模型,末敏彈全彈及螺紋連接模型見圖3。

圖3 全彈及螺紋連接模型Fig.3 Full shell and threaded connection model

發(fā)射過程動(dòng)力學(xué)仿真主要分析導(dǎo)帶擠進(jìn)膛線過程中,彈體螺紋、彈底螺紋受力情況,彈丸運(yùn)動(dòng)范圍為導(dǎo)帶由坡膛完全擠進(jìn)膛線階段。在數(shù)值模擬時(shí),選擇局部身管作為研究對(duì)象,為提高計(jì)算效率,將末敏彈部分零部件等效為剛性材料。為精確模擬導(dǎo)帶擠進(jìn)膛線時(shí)的成型過程,將導(dǎo)帶部分轉(zhuǎn)化為無網(wǎng)格光滑粒子[10],導(dǎo)帶模型如圖4所示。

圖4 局部光滑粒子導(dǎo)帶Fig.4 Local smooth particle conduction band

2.2.1 彈丸在等齊膛線身管發(fā)射過程分析

分析計(jì)算了末敏彈在等齊膛線身管中從開始運(yùn)動(dòng)到彈底導(dǎo)帶完全擠進(jìn)膛線的過程,圖5為不同時(shí)刻螺紋剖面受力云圖。將彈底螺紋作單獨(dú)分析,在彈體導(dǎo)帶全部擠進(jìn)膛線時(shí),彈底螺紋應(yīng)力云圖見圖6、圖7。

圖5 不同時(shí)刻彈體螺紋、彈底螺紋剖面受力云圖(等齊膛線身管)Fig.5 Force cloud map of the thread profile of the projectile body and the bottom of the projectile at different times(equal rifling barrel)

圖6 彈底螺紋受力云圖(等齊膛線身管)Fig.6 Force cloud diagram of projectile bottom thread(equal rifling barrel)

圖7 彈底螺紋應(yīng)力大于1 300 MPa區(qū)域(等齊膛線身管)Fig.7 Area with the stress on projectile botton thread above 1 300 MPa(equal rifling barrel)

由計(jì)算結(jié)果可知,在等齊膛線身管中,當(dāng)彈底導(dǎo)帶開始擠進(jìn)坡膛時(shí),由于彈體導(dǎo)帶已經(jīng)部分?jǐn)D進(jìn)膛線,彈體螺紋、彈底螺紋緊密貼合,螺紋牙開始受力;當(dāng)彈體導(dǎo)帶全部擠進(jìn)膛線時(shí),部分螺紋牙網(wǎng)格單元應(yīng)力超過螺紋材料的屈服極限,出現(xiàn)失效現(xiàn)象;在彈底導(dǎo)帶嵌入膛線之前,彈體開始旋轉(zhuǎn),彈底不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

由圖6、圖7可以看出,在彈體導(dǎo)帶完全嵌入膛線時(shí)刻,彈底螺紋綜合應(yīng)力大于材料屈服極限1 300 MPa的區(qū)域已經(jīng)貫穿整個(gè)螺紋寬度,該區(qū)域主要出現(xiàn)在螺紋起點(diǎn)和終點(diǎn)之間連接扣數(shù)少的部位。

2.2.2 彈丸在漸速膛線身管發(fā)射過程分析

分析計(jì)算了末敏彈在漸速膛線身管中從開始運(yùn)動(dòng)到彈底導(dǎo)帶完全擠進(jìn)膛線的過程,圖8為不同時(shí)刻螺紋剖面受力云圖。將彈底螺紋局部單獨(dú)分析,在彈體導(dǎo)帶全部擠入膛線時(shí),彈底螺紋應(yīng)力云圖見圖9、圖10。

圖8 不同時(shí)刻彈體螺紋、彈底螺紋剖面受力云圖(漸速膛線身管)Fig.8 Cloud diagram of the force on the body thread and bottom thread of the projectile at different times(gradual rifling barrel)

圖9 彈底螺紋受力云圖(漸速膛線身管)Fig.9 Force cloud diagram of projectile bottom thread(gradual rifling barrel)

圖10 彈底螺紋應(yīng)力大于1 300 MPa區(qū)域(漸速膛線身管)Fig.10 Area with the stress on projectile botton thread above 1 300 MPa(gradual rifling barrel)

由計(jì)算結(jié)果可知：在漸速膛線身管火炮中,當(dāng)彈底導(dǎo)帶開始擠進(jìn)坡膛時(shí),由于彈體螺紋已經(jīng)部分?jǐn)D進(jìn)膛線,彈體螺紋、彈底螺紋緊密貼合,螺紋牙開始受力;彈體導(dǎo)帶全部擠進(jìn)膛線時(shí),螺紋牙產(chǎn)生的應(yīng)力最大,但值小于彈底材料屈服極限,螺紋不會(huì)被破壞[11];在彈底導(dǎo)帶嵌入膛線之前,彈體開始旋轉(zhuǎn),彈底不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

2.3 彈底脫落原因分析總結(jié)

經(jīng)過分析計(jì)算,可以定位彈底脫落原因?yàn)椋簭椀自跀D入膛線的過程中發(fā)生螺紋破壞。目前彈丸的導(dǎo)帶形式(彈體、彈底上各一條)使得前導(dǎo)帶在嵌入膛線過程中彈底、彈體相對(duì)旋轉(zhuǎn),由于等齊膛線身管纏角大[12],導(dǎo)致導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩過大,從而造成彈底與彈體的連接螺紋被破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

改進(jìn)方案主要考慮使導(dǎo)帶在擠入膛線過程螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠。對(duì)導(dǎo)帶布局形式進(jìn)行調(diào)整,將原彈底上的后導(dǎo)帶移至彈體上,形成兩條導(dǎo)帶都在彈體上的布局形式。按此方案調(diào)整后,在導(dǎo)帶嵌入膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)過程中,彈丸開始旋轉(zhuǎn),導(dǎo)旋力矩作用在彈體上,彈底與炮膛無接觸,此時(shí)彈底連接螺紋只受到因彈體加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的彈底反向慣性力矩,該力矩與彈丸膛內(nèi)的角加速度大小和彈底極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比,遠(yuǎn)小于連接螺紋所能承受的擰緊力矩。

4 改進(jìn)方案試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在等齊膛線火炮上進(jìn)行強(qiáng)裝藥強(qiáng)度試驗(yàn),先后進(jìn)行了30發(fā)強(qiáng)度試驗(yàn)彈射擊,試驗(yàn)彈外彈道飛行全部正常,回收的試驗(yàn)彈結(jié)構(gòu)完整,上下定心部陽線印痕輕微,導(dǎo)帶連接可靠,彈體變形可控。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用將原彈底上的后導(dǎo)帶移至彈體上的改進(jìn)方案,較好解決了螺紋連接失效的問題拆解檢查證明前后子彈導(dǎo)旋鍵均位于母彈鍵槽內(nèi),無相對(duì)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,子彈后端面和彈底前端面無磨損痕跡。子彈拆解后各活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)靈活可靠,末敏子彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

為解決末敏彈與車載炮的不適配問題,通過理論分析和有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真計(jì)算方法定位了問題原因,并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。試驗(yàn)結(jié)果證明將后導(dǎo)帶移至彈體上的改進(jìn)方案有效可靠,滿足實(shí)際工程需求。