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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

弹丸挤进过程的测试与研究

本文提出了一种用于短身管火炮上测量弹丸挤进过程的测试系统,讨论了弹丸挤进规律的测试技术问题.该系统采用在弹头安装传感器的直接引线弹底测压技术,成功地测出了弹底压力,并利用“接触法”和“测压法”二种方式同时测出了挤进压力.实验结果表明,动态挤进压力比经典弹道传统概念大得多。     

定装式弹丸不同膛内自由行程下挤进过程的动态响应

为了研究定装式弹丸挤进过程中的动态响应,分析了不同的膛内自由行程对挤进过程、弹体-弹带区域压力和炸药响应的影响,利用Abaqus/Explicit及其幅值子程序VUAMP建立了包含弹体、弹带、炸药和引信结构的弹炮耦合有限元模型。研究结果表明:自由行程增大会加快挤进速度,导致膛压和弹丸挤进完成后速度下降; 挤进速度的加快导致弹带塑性变形增大,弹带材料破坏更严重,质量损失更多,这也减小了弹体-弹带区域的径向受力; 炸药的应力和塑性变形大小均会随着自由行程的增加而增大,影响炸药的安定性。     

高温引起的弹头壳铜被甲材料性能变化对弹头膛内运动影响

为了研究高温下铜被甲弹头在膛内运动状况,通过高温拉伸试验得到枪管材料和弹头壳铜被甲材料的力学性能参数,建立了铜被甲弹头在全枪管中的挤进运动有限元模型。该模型考虑了枪管在重力作用下的预弯曲以及铜被甲材料在不同温度时的力学性能。通过数值模拟研究了弹头挤进过程以及弹头在膛内运动姿态,分析了铜被甲弹头在不同温度下的挤进阻力、材料流动及变形。计算结果表明,温度越高,弹头在膛内变形越大,前进阻力也越大,弹头头部铜被甲弯曲程度越厉害;对弹头运动姿态进行分析后发现,温度越高,弹头在膛内摆动角越大,说明了热枪状态下铜被甲弹头的射击精度会下降,射弹散布变大。     

迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计

针对迫击炮弹丸出炮口时的尾翼颈部折断问题,考虑弹丸前定心部与膛壁的摩擦,建立了迫击炮弹丸与身管耦合系统的有限元模型,对弹丸膛内运动过程进行了仿真计算,得到弹丸起始扰动,以出炮口时刻弹丸起始扰动的位移、角位移和角速度构建优化目标函数,以弹丸与身管配合间隙为设计变量,基于Isight软件提供的多目标优化方法对弹丸起始扰动进行优化设计,得出了相对最优配合间隙值。结果表明,迫击炮弹丸与身管配合间隙对弹丸起始扰动影响显著,优化后出炮口时刻弹丸质心位移、角位移和角速度均明显减小,该结果对迫击炮弹丸与身管的匹配设计具有一定参考价值。     

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。     

穿甲弹异物阻滞膛炸机理数值仿真分析

以某穿甲弹近炮口处膛炸故障为背景,针对膛内存在异物时弹体和身管动态响应进行数值仿真,探讨膛炸机理并为故障分析与归零提供依据和参考。设定了两种典型异物阻滞形式：一是 异物阻滞造成弹体速度急剧下降或卡膛;二是弹体直接高速冲击膛内沙土类异物。采用有限元分析AUTODYN软件进行了多种不同工况数值计算,得到了弹体速度急剧下降时弹底燃气流场压力特征、身管变形与破裂形态,以及弹体高速冲击沙土类异物时结构动态响应、身管变形与破裂形态。研究结果表明：弹体膛内突然受阻和速度急剧下降,导致底部燃气中形成激波和局部高压区,局部高压区的存在可造成膛炸;弹体膛内近炮口处高速冲击沙土,身管受到复杂的强动载荷作用并可造成膛炸;数值仿真结果与实际故障情况相吻合并得到了故障复现试验的验证。     

坡膛结构参数对枪械内弹道挤进时期的影响研究

枪械射击过程中枪管坡膛处工作环境恶劣,为了研究枪管坡膛角度对挤进过程坡膛处受力的影响,建立了不同坡膛角下考虑枪管及弹头结构特性、本构非线性等因素的三维有限元模型,分析了不同坡膛角对弹头挤进过程的影响,获得了不同坡膛角下挤进阻力随挤进位移的变化数据;建立了挤进阻力的响应面模型,基于上述数据采用Hermite多项式,求解获得了挤进阻力以坡膛角和挤进位移为变量的计算公式;提出建立了考虑挤进阻力的弹头挤进过程的动力学模型,编程计算了枪弹挤进过程中的挤进压力,获得了某大口径机枪满足弹头初速条件的坡膛角度取值范围为0.11°~1.13°,进而得到了缓减枪管坡膛受力、保证弹头最高初速、满足坡膛角设计范围的坡膛角度最优解为0.56°。     

转管炮旋转发射惯性对弹丸起始扰动的影响分析

研究转管炮发射时身管旋转所导致的惯性力、科氏力对弹丸起始扰动的影响,建立了同时考虑弹丸旋转惯性力和科氏力的半约束期内起始模型,估算了身管旋转发射时运动弹丸的偏角变化规律,结果表明旋转离心力和身管组半锥夹角导致的科氏力对弹丸起始扰动的影响,弹丸偏角随身管转速的增加而线性增加,特别是高转速时,由切向速度所引起的弹丸的偏角更大.这为转管武器的射击精度研究提供了参考.     

弹炮耦合问题的理论模型

用基于Kane方程Huston方法建立了较为完善的研究弹丸与炮管耦合问题的动力学模型.模型中将炮管处理为运动支撑上的悬臂梁,取其前N阶正则模态计算炮管各断面中心的变形和转角.弹丸处理为刚体,弹带中心沿炮管轴线平移和绕炮管轴线转动.弹丸可有偏心,其转动和平动的关系由膛线缠角确定.弹底和膛内除作用有火药气体压力外,弹丸和炮管间还作用有摩擦力和摩擦力矩.利用该模型,可以更精确地分析弹丸发射过程.