某大口径枪械弹丸挤进坡膛过程的仿真分析

针对目前理论和试验难以解决的三层结构的钢心弹丸在挤进枪管过程中的应力、转速和摆动问题,以某大口径枪械弹丸挤进过程为例,建立了弹丸和枪管的有限元模型,使用Johnson-Cook材料本构关系,运用动力显式方法对弹丸挤进过程进行了模拟,得到了弹丸的挤进阻力,展现了弹丸被甲表面刻痕的成形过程,研究了弹丸的应力情况和转速,并分析了弹丸在挤进过程中的摆动状况。分析结果可为优化坡膛结构,在满足武器要求的前提下改进弹丸形状以提高弹丸的稳定性提供理论参考依据。     

串联发射弹丸挤进过程数值仿真与分析

为研究串联发射的弹丸在不同起始速度下动态挤进膛线的力学机理与运动特点,以30 mm火炮为对象分析了串联发射方式的内弹道物理过程,建立了弹丸与坡膛的有限元模型,采用LS-DYNA软件进行了挤进过程的有限元仿真。研究结果表明:挤进过程中,弹带变形规律不受挤进起始速度的影响,均是逐步被膛线刻槽并发生塑性变形;起始速度由5 m·s~(-1)增加至400 m·s~(-1),弹带等效应力峰值从611.8 MPa升高至717.5 MPa,弹带塑性应变最大值从0.89降低至0.75,挤进阻力峰值从为20.3 k N提高至22.9 k N,挤进完成后的摩擦阻力从0提高至3.5 k N,挤进起始速度增加导致了弹带材料应变率、塑性流动应力与挤进阻力的改变,影响弹丸挤进后的内弹道过程;3发弹串联发射时,首发弹20个节点轴向速度的标准差为8.3 m·s~(-1),后续弹分别为18.2,26.7 m·s~(-1),后续弹挤进时的振动冲击效应较首发弹显著。     

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。     

弹丸侵彻装甲钢板温度场数值模拟研究

为研究弹丸的强度和耐热性能,以弹丸为研究对象,对弹丸侵彻装甲钢板过程中速度与温度场之间的关系进行数值模拟。采用ANSYS/LS-DYNA软件建立弹靶几何模型、划分网格、加载、求解,并用Ls-prepost后处理软件对仿真结果进行分析,得出弹丸温度场变化云图及在不同侵彻速度下,温度升高较大节点的加速度、温度曲线。仿真结果表明:在弹丸侵彻速度为1 200 m/s条件下,弹内节点温度达到465~473 K,接近于炸药熔点473 K。研究结果为弹内装药及电子器件的影响提供试验数据。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。     

埋头弹中超高速弹丸的多区间电磁检测方法

针对提高埋头弹火药热暗哨性能及弹道特性,尤其是弹丸在冲击挤进过程中的运动特性这一影响埋头弹整体性能的重要参数,提出了一种基于电磁感应定律测量弹丸冲击挤进过程速度的有效方法,建立了半封闭壳体的速度测试参考模型,分析了弹丸在冲击挤进过程中通过感应线圈时,钕铁硼磁体(Nd-Fe-B)原生磁场与涡流效应产生的附加磁场叠加成复合磁场,以及磁体偏移量对感应线圈电动势的影响;为减小测量随机误差,提出一种多区间测量方法。基于短管炮装置,建立弹丸冲击挤进模拟试验系统,通过电磁法和高速摄像法测量获得冲击挤进过程中弹丸速度和位移,电磁法可实现弹丸冲击挤进过程中各阶段速度变化的快速响应,当弹丸速度高于8 m/s时,速度测量相对误差小于1%,验证了电磁法的有效性。     

隐身弹丸的弹底托分离技术设计

为了实现弹丸对炮位侦察校射雷达隐身,以达到提高炮兵战场生存能力的目的,研究了外形隐身技术和材料隐身技术。针对弹丸表面2条铜弹带和闭气环槽的雷达波散射较强,不符合外形隐身设计规范的问题,研究设计了弹底托,将弹底托与隐身弹体之间用铝制螺栓连接。隐身弹丸发射出炮口后,弹底托迅速脱离弹丸,从而实现弹丸外形隐身。基于弹底托结构设计了全隐身弹丸、全膛半隐身弹丸、有船尾的全膛半隐身弹丸,并进行了试验验证,用以检验弹底托分离的性能以及隐身弹丸对雷达的隐身效果。试验结果表明:弹底托能够迅速、可靠地完成分离动作,保证了全隐身弹丸和全膛半隐身弹丸的隐身性能; 带有铜弹带和闭气环槽的有船尾的全膛半隐身弹丸的隐身性能不佳。     

模拟弹丸挤进过程的弹丸变形应力

自动武器弹丸挤进以及在内弹道这一阶段很难通过枪支原型的实验来得到准确的数据,而弹丸的挤进却又对设计精度、材料磨损等情况有很大的关联。运用仿真软件ANSYS建立了一组简化的2D模型,对其进行了应力应变及变形分析,为后续的研究提供一定的科学依据。     

某大口径枪械内弹道挤进时期的数值仿真与分析

针对线膛枪管内膛与弹丸的复杂结构以及高度非线性的挤进过程,求解了弹丸挤进时期的弹底压力,采用多软件综合仿真的方法,建立了枪管和弹丸的高精度有限元模型,模拟了弹丸的挤进过程。分析了弹丸挤进过程所受应力、变形量的时空演化规律,展示了弹丸上膛线刻痕的形成过程,获得了弹丸嵌入阻力变化规律的仿真结果。通过计算并比较弹丸嵌入阻力不同拟合公式的可决系数,获得了弹丸嵌入阻力的最优拟合公式。所得结果为内弹道起始问题的研究、枪管内膛结构设计提供了理论参考。     

挤进过程实验研究

对弹丸挤进过程的静态实验和动态实验进行了研究，从而获得铜弹带和塑料弹带两种弹实验数据，并对试验结果进行了分析。该实验为起始弹道学的深入研究提供了一种技术途径。     

计及动态冲击挤进过程的埋头式弹药内弹道特性

为能够精确预测埋头式弹药的内弹道特性,了解埋头式弹丸动态冲击挤进过程中尼龙弹带的变形形态、失效模式及刻槽形成机理。利用LS-DYNA软件,建立计及挤进系统复杂结构和埋头式弹丸动态冲击特性的三维有限元模型,并进行模拟仿真。结合埋头式弹药两级点火和火药程序燃烧的新原理,进一步建立埋头式弹丸挤进过程初始内弹道与挤进完成后内弹道的一体化模型,并对比数值计算与试验测试结果。对比结果表明：弹带材料直接受膛线作用发生断裂失效模式主要以剪切失效为主,挤进过程分为初期依靠初始速度减速挤进与后期火药燃气推动加速挤进阶段,两阶段弹带材料受膛线挤压均产生大变形,相应的挤进阻力也较大,最终通过拟合得到了弹丸动态冲击挤进阻力表达式,并与内弹道方程耦合建立了埋头式弹丸内弹道一体化精确模型,该模型计算结果与试验吻合较好,验证了其准确性,为今后这种新型弹药的装药结构设计提供了有益的参考。     

制导炸弹半实物仿真系统误差对仿真结果的影响

在制导炸弹半实物仿真试验中经常发现,同一发制导炸弹多次仿真的俯仰角差别较大,同一批次制导炸弹投弹试验的遥测俯仰角与仿真俯仰角差别也较大,但是俯仰角的收敛趋势均一致,实测脱靶量与仿真脱靶量都合格,且具有一致性。为了分析出现上述现象的原因,基于协方差分析描述函数法(CADFT),建立了制导炸弹半实物仿真系统的误差传播理论,计算了仿真姿态角和姿态角速度的误差。分析了仿真姿态角和姿态角速度的误差对仿真结果的影响。结果表明,在仿真系统各种误差中,气动力和气动力矩误差是主要误差,是引起仿真俯仰角差别的重要原因; 姿态角的动态验模方法不适用于制导炸弹仿真模型,而脱靶量的静态验模方法适用于制导炸弹仿真模型。     

考虑壁面滑移修正的硝基胍发射药流道内数值模拟

壁面滑移是影响发射药压伸成型质量的重要因素之一。为了提高七孔硝基胍发射药压伸成型数值仿真的精确度,研究了发射药药料壁面滑移机理,建立了考虑壁面滑移修正的发射药流动的数学模型。采用有限元方法对七孔硝基胍发射药压伸成型工艺进行了数值模拟。对壁面考虑滑移与未考虑滑移时发射药流道内的压力场,速度场,收缩段与成型段交界处速度矢量分布情况进行了对比分析。通过发射药压伸试验进行了仿真验证。结果表明,壁面滑移降低了发射药成型压力,提高了发射药出口速率的均匀性,有利于发射药压伸成型。发射药实际尺寸与仿真尺寸误差均小于2.0%,其中,外径尺寸误差为0.59%,外弧误差为0.36%,内弧误差为1.80%,孔径误差为1.67%,中心孔径误差为1.72%,仿真工艺符合实际加工。     

多孔硝基胍发射药压伸数值仿真及验证

为研究硝基胍发射药配方和压伸工艺对挤出成型尺寸的影响问题,建立了不同配方硝基胍发射药压伸过程数学模型及边界条件,用有限元方法仿真计算,得到了不同配方条件下流动过程的剪切速率场、压力场以及速度场分布情况。结果表明,发射药实际外径尺寸(8.03 mm)与仿真尺寸(8.38 mm)基本一致,误差为4.36%,外弧厚误差为7.89%,内弧厚为3.10%,孔径误差为9.26%,中心孔径误差为5.36%,误差均小于10%。     

铝合金齿轮泵泵体半固态挤压成形的数值模拟研究

采用半固态挤压方法生产零部件,可以消除铸造方法产生的气孔或疏松。通过线性回归的方法建立半固态A356铝合金在570～580℃高固相率温度范围内,不同应变和应变速率下的刚粘塑性本构关系。采用商业有限元模拟软件Deform-3D对A356铝合金材料半固态挤压成形齿轮泵泵体的成形过程进行数值模拟,得到成形过程的流动速度场、有效应力应变场、压力-行程曲线等,并对其进行简要的分析,得出成形过程中的金属流动情况。     

不同型线凹模钨合金静液挤压过程数值仿真研究

本文通过ANSYS5．5有限元计算软件对四种不同型丝凹模钨合金静液挤压过程进行了数值仿真研究,得到了钨合金静液挤压时挤压压力、试样内部应力,就变场、模具表面压力随凹模型线的变化规律,为钨合金静液挤压过程中岫模型线的优化设计提供了一定的理论依据。     

一种基于铜柱测量的膛内燃气最大压力计算方法

为了研究内弹道过程中火药在膛内燃烧生成的燃气压力变化和分布规律,对铜柱测压实验的过程进行优化,并对实验结果进行修正。分析了采用铜柱测压器系统产生误差的主要原因。利用铜柱塑性状态的本构方程,建立了包括预压过程在内的铜柱测压器的数学模型,用以提高铜柱测压测量结果的准确度及简化实验流程; 对同时使用了电子测压器的铜柱测压器实验过程进行了计算机仿真,借助量纲分析及相似理论对计算结果进行修正,修正结果与电子测压器测量结果相符,证实了该文数学模型的可靠性。     

发射药动态力学性能的研究进展

介绍了落锤冲击试验、空气炮试验、分离式霍普金森压杆试验和动态挤压物理仿真试验等在发射药动态力学性能研究中的应用状况,综述了发射药动态力学性能的研究进展,认为发射药粒的损伤模型、低温脆性、发射药撞击弹底时的力学分析以及发射药冲击破碎的数值仿真需进一步研究。     

毫米波交流辐射计半实物仿真系统设计

为尽量减少末敏弹中毫米波被动探测器野外试验的频率,采用室内半实物仿真代替野外试验。根据毫米波被动探测器探测装甲目标的原理与过程,建立了室内半实物仿真系统的数学模型,并与野外探测过程的模型进行了等效处理,研制了一款Ka波段被动探测器半实物仿真系统。通过将半实物仿真结果与高塔实测结果比较,表明了该毫米波辐射计半实物仿真系统和所建立的模型等效关系的正确性,可用于末敏弹研制及量产测试过程中的半实物仿真测试。     

基于旋转阀的固体火箭发动机燃烧室压强振荡特性

针对基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应函数测试系统存在不易进行相位角测量、压强振荡及内流场分析的难点，设计一套旋转阀冷流实验系统，建立对应的压强振荡理论计算模型和三维瞬态内流场仿真模型，研究燃烧室压强振荡及其内流场特性。开展不同排气频率的冷流实验和理论计算，并与仿真模型进行对比。结果表明：仿真计算中单个转子排气通道周期性摆动运动可代替多转子排气通道单向旋转运动，且误差小于1%；仿真计算获取的排气周期与实验对比的误差小于1.2%；对于压强峰-峰值，仿真比实验小且相差数值由20 Hz的0.019 MPa降低至300 Hz的0.001 MPa，验证了仿真模型的有效性；为后续研究旋转阀工作过程中燃烧室压强振荡及流场变化提供了新的思路和途径。