某大口径榴弹炮弹带挤进过程数值模拟研究

为探索某大口径榴弹炮发射条件下弹带挤进过程的力学机理,建立了弹带挤进坡膛的有限元模型。通过数值模拟研究弹带的动态挤进过程,分析弹带变形及刻槽形成过程,计算得到弹带动态挤进阻力、挤进压力和弹丸运动规律,给出了最大挤进阻力值、挤进压力值及对应时刻弹丸速度值。研究结果表明,挤进过程中弹带材料经历塑性变形流动,发生剪切失效占主导的韧性断裂并形成刻槽,弹带挤进后具有明显的层状特征,其内部区域的塑性变形量很小,弹带绝热变形产生的热量不足以使弹带材料熔化。文中采用的实验测试数据为数值模拟研究提供了支持,下一步工作的重点是开展针对弹带动态挤进阻力及弹丸运动规律的实验研究。     

弹带宽度对弹丸挤进过程的影响分析

弹丸挤进过程是火炮发射继点火传火之后的起始阶段,弹带结构对弹丸挤进过程有一定的影响。针对某大口径火炮,基于 Hypermesh和 Abaqus建立5种宽度弹带的挤进过程有限元模型,采用载荷幅值子程序的方法,联合求解内弹道方程组和非线性有限元过程,计算火药燃气压力作为载荷边界条件,进行数值模拟计算。研究结果表明,在相同装药条件下,弹带宽度对挤进终了速度影响较小。较宽弹带受到挤进阻力和摩擦力较大,对应的挤进压力较大,全弹带挤进耗时较长。综合考虑身管寿命、火炮保养和弹带制造成本,59 mm是5种工况中较为理想的弹带宽度。     

弹丸不同结构尼龙弹带挤进过程的阻力特性

为研究大口径火炮发射状态下弹丸尼龙弹带挤进过程的阻力特性,分析不同结构尺寸弹带的影响,建立弹带挤进的有限元模型。基于显式动力学有限元方法,编制内弹道程序对压力场进行计算,利用Abaqus软件对结构动力学过程进行仿真模拟,通过软件内部幅值自定义子程序接口将内弹道程序与动力学过程进行耦合求解。对不同弹底半径、不同宽度以及不同刻槽形式的弹带结构进行仿真计算,模拟结果完整地呈现了挤进过程中弹带的力学性能和变形演化。结果表明：弹丸底部半径越大,弹带流变空间越小,挤进阻力也越大;弹带的密封性能随着其宽度增加而逐渐改善,但所受阻力也会逐渐增大,当宽度过大时会引起膛压过高和弹带失效等风险;弹带刻槽可以有效地将单段流变转变为多段流变,在保证闭气性能前提下避免弹带宽度过大而造成的阻力过大,且刻槽深度变化对挤进阻力的影响比刻槽宽度变化更大;仿真计算结果可为后续选择合理的弹带结构提供重要参考。     

尼龙-紫铜复合弹带结构设计及动态挤进特性分析

针对大口径火炮在弹带挤进阶段由于应力过大易对炮膛内壁造成损伤的问题,以大口径火炮发射过程的内弹道特性为背景,展开尼龙-紫铜复合弹带的结构设计及其动态挤进过程的数值仿真研究。基于现有紫铜材质弹带,通过注塑工艺制备一种尼龙-紫铜复合结构弹带,降低挤进过程中的弹带应力。利用经典内弹道方程组求解内弹道过程中弹丸弹底压力变化,并作为动力条件展开动力学分析,使用单一及复合材质弹带的弹丸挤进过程中的内弹道动力学参数,分析尼龙厚度对复合弹带性能的影响。研究发现,相比于紫铜弹带弹丸,相同条件下使用尼龙弹带的弹丸内弹道动力学参数更高,而挤进终点时刻弹带应力更低;对于使用复合结构弹带的弹丸而言,其内弹道性能和弹带尼龙含量相关。复合弹带尼龙厚度越厚,则挤进过程中弹丸内弹道动力学参数越高,而挤进终点时刻弹带应力越低。相关研究可为中大口径火炮弹带设计提供一定参考。     

尼龙弹带动态挤进特性试验研究与数值分析

为了研究尼龙弹带在滑膛炮中的挤进特性，设计了短管炮发射装置，进行了动态射击条件下的穿甲弹挤进试验研究。采用瞬态压力测量系统和高速摄像仪得到挤进过程中膛内压力和弹丸运动参量，计算得出弹丸动态挤进过程的阻力变化特性曲线，分析了弹底平均压力上升速率对于尼龙弹带挤进过程的影响。基于试验工况，采用弹塑性大变形的C-S模型，数值模拟了尼龙弹带的挤进形变过程，研究了尼龙弹带挤进动力学特性。研究结果表明：尼龙弹带在挤进过程中发生了弹塑性变形，弹带内部为压剪状态，弹带主要失效方式为剪切失效。动态射击条件下的弹丸在挤进过程中挤进阻力随挤进位移的增大先增大后减小；当弹底平均压力上升速率从2.92 MPa·ms^-1增大到3.28 MPa·ms^-1时，挤进时间缩短了4.36%，最大挤进阻力增大了5.12%；弹丸位移的计算值与测量值的平均误差为5.24%，该三维动态挤进模型可以较好地预测尼龙弹带的动态挤进过程。     

某大口径火炮弹带热力耦合挤进动力学数值模拟研究

为研究弹带挤进过程机理以及弹丸在挤进过程的运动规律,对大口径火炮挤进过程进行了仿真分析。考虑了火药气体在带锥度药室及坡膛内的分布,得到挤进时期的内弹道学方程,将该方程的解作为力边界条件,同时引入考虑温度的摩擦力模型来模拟身管与弹带间的摩擦,采用显式方法建立大口径火炮弹带挤进过程热力耦合仿真模型;分别对经典内弹道挤进过程和绝热挤进进行计算,验证了耦合计算的必要性;同时考虑不同弹炮间隙、卡膛速度以及初始摆角对挤进过程的影响,得到挤进过程中挤进阻力、弹丸速度、火药气体压力、弹丸摆角的变化规律。计算结果表明,弹炮间隙对挤进阻力和挤进速度有着重要的影响,而弹丸卡膛前摆角对弹丸挤进过程中的摆角有着重要的影响。     

埋头弹高速冲击挤进入膛特性研究

为研究埋头弹高速冲击挤进入膛过程的力学机理和运动规律，将某40 mm口径埋头弹火炮作为对象，分析建立其内弹道过程的数理模型，并通过实弹射击试验验证内弹道模型的准确性。考虑界面间的摩擦和接触特性，采用FEM-SPH耦合算法建立了高速冲击挤进模型，将内弹道数值解作为边界条件，通过数值计算得到弹带变形、弹丸运动、弹丸姿态和挤进阻力等变化规律。研究结果表明：所建立的弹道模型准确合理，弹丸的初始上膛速度为78.2 m/s；整个挤进过程分为减速挤进和加速挤进阶段，两阶段之间弹丸处于准静止状态，减速挤进过程中弹丸姿态发生周期性的变化，摆动角幅值不断下降，加速挤进过程，摆动角迅速增大，随着挤进完成摆动角呈现出减小的趋势，完成挤进用时2.65 ms，完成挤进时弹丸速度为73.92 m/s；挤进过程弹带表面温度接近材料熔点；动态挤进阻力呈现两次“上升-下降”过程，最大挤进阻力为95.288 kN，完全挤进时阻力降低并稳定到10 kN。     

两种中口径弹药弹带动态挤进阻力特性的实验研究

针对弹丸挤进过程中弹带在坡膛产生高应变率塑性变形及断裂问题,采用短管炮发射装置完成了两种不同弹带动态挤进过程的阻力特性实验。采用动态压力测量和高速录像系统进行了挤进过程中膛内火药燃气的压力和弹丸位移数据的测量。对膛内压力和位移数据进行计算,得到了弹带挤进变形期间的阻力特性曲线。研究结果表明,弹带材料和结构对挤进阻力的影响较为明显,紫铜弹带相对于尼龙弹带有较高的挤进启动压力和最大阻力值,相应的挤进时间较短。     

软铁弹带挤进过程数值模拟

建立35 mm高炮身管及弹丸三维几何模型,基于Johnson-Cook本构模型,利用有限元软件ABAQUS对35 mm弹丸软铁弹带挤进身管过程进行了仿真研究。揭示了软铁弹带挤进变形过程,研究了软铁挤进过程中35 mm弹丸运动规律及挤进阻力变化规律,获得了35 mm弹丸挤进过程中最大阻力约为71. 0 k N,挤进持续时间约为0. 65 ms,弹带推挤延展长度约为2 mm。研究成果为35 mm口径火炮、特别是埋头弹火炮及金属风暴等新概念武器的研究提供了参考。     

大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动影响的数值分析

以大口径身管火炮发射减旋滑动弹带制导弹药时弹丸-身管耦合系统为研究对象,基于弹塑性有限元理论,建立某大口径火炮线膛身管与制导炮弹耦合动力学有限元模型。数值计算了渐速膛线、等齐膛线、混合膛线（渐速膛线+等齐膛线）3种不同膛线形式和深、浅两种膛线深度条件下,制导炮弹在挤进阶段和膛内运动过程中的弹炮应力、挤进阻力以及弹炮动力学响应,获得了大口径火炮膛线结构对滑动弹带制导弹丸膛内运动的影响关系,为弹炮一体化设计提供了理论参考。     

枪弹动态挤进阻力理论与实验研究

枪弹挤进过程具有非线性、瞬时性等特征,对枪管寿命和射击精度有着重要的影响。为揭示弹-枪相互作用机理,通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,开展枪弹动态挤进阻力模型研究。采用显式动力学有限元方法,借助Abaqus软件模拟枪弹动态挤进过程。利用多参数同步测量技术进行动态挤进实验,验证数值模拟的有效性。基于完全非弹性碰撞假设,考虑弹头材料静态强度、动态变形力和高速运动下摩擦力的作用,结合弹头运动、弹-枪结构参数,构建动态挤进阻力模型,分析影响挤进阻力的关键因素,并与数值模拟进行对比。结果表明,动态挤进阻力先增大后减小,在弹头圆柱部完全嵌入坡膛时达到最大值,弹头挤进速度和挤进过程中的体积变化率为影响动态挤进阻力的关键因素,该模型理论值与数值模拟结果一致性较好,能准确描述弹-枪相互作用过程。研究成果可充实枪弹设计理论,为轻武器系统优化提供理论参考。     

基于温度修正的弹丸挤进身管过程摩擦模型

弹丸挤进身管过程中,弹带与身管之间的摩擦特性不仅对内弹道特性产生影响,而且影响对身管寿命的预测。在弹丸挤进过程中,弹带与身管之间的摩擦具有高速高接触压力特性。基于弹丸挤进过程中的弹带变形机理,提出一种新的描述弹带与身管之间摩擦特性的摩擦模型,该模型考虑了接触压力、滑移速度以及连发射击时温度升高导致弹带表层熔化的影响;建立热力耦合的弹炮匹配有限元模型,分析弹丸挤进过程弹带应力及温度变化,并与文献［24-25］提出的摩擦模型进行对比验证,研究弹丸挤进过程中的弹丸速度和弹带表层温度变化规律。结果表明：新的摩擦模型能够准确描述弹丸挤进过程中弹带与身管之间的摩擦特性。     

枪炮射击过程中弹丸与身管相互作用及其影响

枪炮射击时,弹丸在发射药燃烧产生的高温高压燃气推动下与身管发生相互作用。弹丸挤进过程对枪炮内弹道循环有重要影响,其本质是弹丸（弹带）与身管膛壁间的高速冲击摩擦并伴有大变形。弹丸在挤进过程结束后沿导向部向前加速运动过程中,弹带表面发生熔化磨损的几率增大。准静态和实弹射击动态测定的挤进阻力值差别明显,原因在于加载方式不同,摩擦副材料的应变率效应导致其力学性能发生改变,进而影响摩擦学性能,宏观上表现为挤进阻力的变化。发展新型冲击加载实验方法是揭示弹丸挤进过程内在机理的关键手段。弹丸与身管相互作用的深入研究将有助于枪炮和弹药的优化设计、制造与使用。     

某大口径机枪内膛损伤对弹头挤进过程的影响研究

为研究大口径机枪枪管寿命过程中内膛损伤对弹头动态挤进过程的影响,分析影响枪管寿命的关键因素,在进行大量射击试验获得枪管内膛损伤发展规律基础上,建立了不同寿命阶段含内膛损伤枪管的精确有限元模型。采用Fortran子程序的方式实现了内弹道过程与显式有限元方法的迭代数值求解,获得了弹头挤进过程中表面形貌及运动姿态随内膛损伤发展的变化数据。对比数值模拟结果与试验数据验证了弹-枪耦合模型的准确性。仿真结果表明：内膛损伤导致的弹头挤进过程中,质心偏移量和弹头摆动角的增加、表面形貌及气动力参数的改变,以及由于导转侧损伤较严重引起的弹头所受导转力和转速下降等3个因素是导致弹头外弹道飞行稳定性降低及枪管寿终的主要原因。研究结果为进一步研究枪管寿终机理,提高枪管寿命具有一定的参考意义。     

埋头弹火炮挤进过程研究

研究了埋头弹火炮弹带挤进时的流动应力和摩擦系数,针对其特殊结构数值计算了挤进阻力,分析了挤进过程对内弹道性能的影响.弹带流动应力的增加会使挤进阻力增大,磨擦系数的减小会降低阻力.该文模型计算的最大膛压和初速更接近实验数据,且进行内弹道计算的准确度更高.     

火炮身管阳线损伤机理分析

某大口径火炮实弹射击中,身管阳线起始段出现双侧棱边断裂损伤,为揭示阳线损伤故障原因,进而采取措施避免损伤复发,基于动态非线性有限元方法,建立了弹丸身管耦合系统非线性有限元分析模型,综合考虑了弹丸装填不到位、初始装填角、非均匀摩擦、弹炮间隙多因素对弹丸身管耦合系统动力响应的影响。在此基础上,研究了弹丸装填不到位造成的冲击加载对身管材料动态性能的效应。结果表明,弹丸挤进过程在阳线起始段引起的等效应力已接近身管材料动态屈服极限,同时,弹丸装填不到位使弹带与身管撞击力提高约3.7倍、身管材料动态断裂韧性降低35.6%,最终导致阳线起始段局部双侧棱边的断裂损伤。验证试验复现了阳线损伤现象,确认了阳线损伤机理理论分析的正确性。