弹丸弹托结构参数对挤进阻力的影响研究

高碧祥，杨 臻，吴 臣（.中北大学机电工程学院，太原 03005；.湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 407）

弹丸弹托结构参数对挤进阻力的影响研究

高碧祥1，杨 臻1，吴 臣2
（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207）

为了研究某滑膛武器弹丸弹托的不同结构参数及摩擦系数对挤进阻力的影响，分别以弹丸弹托的不同结构参数及摩擦系数作为单一变量，利用Ansys-workbench有限元软件分别对其挤进过程进行数值模拟仿真，得到挤进阻力的变化，进而分析该结构参数对挤进阻力的影响，从而为该滑膛武器弹丸结构设计提供了重要依据，也为同类武器的弹托设计提供了一定的参考价值。

挤进过程，挤进阻力，结构参数，有限元分析，结构设计

0 引言

在弹底压力的作用下，弹带略大于身管内膛的弹丸会逐步挤入身管内膛，逐步形成于膛线相吻合的沟槽的过程被称为弹丸挤进过程［1］。在此运动过程中，弹丸弹带会产生塑性变形，其阻力会逐步增大，当弹丸完全挤进身管膛线后，该阻力达到最大值。

文献［2］在基于Abaqus的基础上对铅芯弹丸挤进过程进行了数值模拟，分析弹丸在挤进结束后的变形情况和残余应力；文献［3］采用abaqus软件对某覆铜被甲枪弹的挤进过程进行仿真模拟，分析弹带压痕处节点的力学特性。

本文以某滑膛武器挤进过程为研究对象，分别以弹托结构及弹膛挤进锥角作为单一变量，采用Ansys-workbench有限元软件进行仿真，并对仿真结果进行分析总结，探究该武器的弹丸结构参数对其挤进阻力的影响，为优化武器结构提供必要的理论依据。

1 挤进过程理论分析

弹丸挤进过程是复杂的塑形和弹性变形的过程，挤进过程的数学模型建立大多是基于经验结论的数学修正模型。弹丸挤进过程所受到的阻力是由弹带产生塑形变形、弹带与膛面的摩擦以及弹丸在缠角作用下发生旋转产生惯性的因素下产生的阻力［4］，本文旨在讨论对象为滑膛武器，其身管不存在缠角，故忽略弹丸作用下的惯性力。

研究弹带产生塑性变形，必须知道接触应力σk和k。挤入时，弹带接触面上所形成的接触应力问题可以看成是最复杂的塑性理论问题，因此，需要符合实验数据的适当近似理论予以解决。本文利用塑性力学理论建立理想条件下挤进过程的数学模型。在数学模型中作出5点假设:

1）弹带有直角截面；

2）弹带材料是硬塑性的；

3）弹带无环形应变，即弹带的应变为平面；

4）加载条件为静态；

5）身管壁面不存在变形。

在上述假设条件下，对弹带应力应变分析如图1所示，

在上述假设和受力分析的基础上，由塑性变形方程写出弹带变形的二维方程。

式（1）中，前两个方程表示变形平面中研究诸元的等式条件；第3个方式表示塑性方程；后3个方程确定了在已知变形速度下的应力应变关系，并得到以леви-мизеса［5］为基础的关于硬塑材料最终塑性变形的正确关系。

2 挤进过程仿真和结果分析

本文主要从以下结构变化来分析其对挤进阻力的影响:

1）研究弹托外形结构尺寸对挤进过程的影响；2）研究弹膛摩擦系数对阻力曲线的影响。

为了减少各个变化之间的相互影响，方便分析，在研究中尽量采用一个变量因素的影响，现对仿真过程作如下条件设定:

1）对挤进塑性变形部分采用非线性铜合金材料；

2）挤进过程可认为是在定容条件下燃烧，火药燃气压力的提升遵循几何燃烧定律。

2.1 挤进过程模型建立

身管与弹丸为圆柱形对称结构，在Ansys-workbench软件中可将身管和弹丸模型进行对称分割，在不影响分析结果的前提下，能大量减少网格数量，提高分析效率。本文采用自动划分的方法对模型进行网格划分，划分后的模型如图2所示。

图2 弹丸挤进过程1/4模型网格划分

弹丸在火药燃气压力作用下完成挤进过程，根据文献［6］和上述条件2的设定，利用Matlab软件编写计算出内弹道程序，提取挤进全过程位移下（小于65 mm）的压力数值，如下页表1所示。

对于弹丸，不添加任何约束，仅在其底部添加压力载荷，其值为表1的压力曲线值；对于身管，添加固定约束；弹丸表面与身管内表面为无摩擦接触（摩擦因素另作为一个参数单独进行分析计算）。

表1 压力曲线数据

2.2 弹托结构尺寸对挤进阻力的影响

弹丸分为弹托弹带和弹体两部分，弹托弹带分为挤进贴锥面和圆柱部弹带两部分［7］，弹丸结构如图3所示，弹丸在弹膛中的位置如图4所示。

图3 弹丸结构

图4 弹托结构示意图

根据上述弹托弹带结构，可以分别针对x、h、D1、α 4方面的结构参数来研究其结构变化对挤进阻力的影响。

表2 弹托结构参数变化取值

2.2.1 贴锥面宽度x

研究贴锥面宽度x的改变对挤进阻力的影响，为保证研究过程中只存在一个变量，选定弹托结构中的h=0 mm，D1=14.9 mm。然后，将弹丸结构按照表2中x的7种参数分别进行三维建模，在导入Ansys-workbench后，根据上述的前处理对模型进行有限元建模，计算后得到的仿真结果如图5所示。

图5 贴锥面宽度x对应的挤进阻力及特性曲线

从图5中可以看出:挤进阻力的峰值和挤进后稳定值都与贴锥面宽度x成正比。

2.2.2 弹托圆柱面宽度h

同理，为研究弹托圆柱面宽度h对挤进阻力的影响，本文分别建立了如表2中h为单一变量的7种参数分别进行建模，并将该系列模型在Ansys-workbench中进行前文所述的前处理、计算，得到的仿真结果如图6所示。

图6 圆柱面长度h对应的挤进阻力及特性曲线

从图6可以看出:挤进阻力峰值会先与弹托圆柱面宽度h成正比，当h增加到一定值时，挤进阻力峰值保持在某一稳定值；而挤进后稳定阻力值与h的增加呈递减趋势。

2.2.3 弹托外径D1

同理，为研究弹托外径D1对挤进阻力的影响，建立以D1为单一变量的多个模型，其中，x，h都为定值，D1分别为表2中的7种参数，并将该系列模型分别导入Ansys-workbench中，再依照前文进行前处理，计算后得到的结果如图7所示。

图7 弹托直径D1对应的挤进阻力及特性

从图7可以看出:挤进阻力峰值会先随着弹托直径D1变大而增加，当D1大到一定值时，挤进阻力峰值几乎保持在某一稳定值；而挤进后的稳定阻力值会随着与D1的变大而递增。

2.2.4 贴锥面角度α

研究过程中使弹膛挤进锥角为单一变量，弹丸结构D1，x，h为某一定值，贴锥面角度取表2中的6种不同参数分别进行建模。将该系列模型分别导入Ansys-workbench中进行前文所述的前处理，计算后得到如图8所示的仿真结果。

图8 贴锥面角度α对应的挤进阻力及特性曲线

从图8可以看出:挤进阻力峰值会随着贴锥面角度α的变化成正比；而挤进后的稳定阻力值几乎在不变。

2.3 摩擦系数对挤进阻力的影响

为方便研究摩擦系数f对挤进阻力的影响，现单独将摩擦系数f作为单独变量进行分析，即弹托结构均为某一定值，只改变摩擦系数f，分别取f=0.05，0.1，0.15，0.2。将模型导入Ansys-workbench中分别进行前处理，计算后得到结果如图9所示。

图9 摩擦系数f对应的挤进阻力及特性曲线

从图9可以看出:挤进阻力峰值和挤进后的稳定阻力值都会随着摩擦系数f的增加而增加。

3 结论

为研究某滑膛武器弹托结构对弹丸挤进阻力的影响，本文分别以弹托中贴锥面宽度x、弹托圆柱面宽度h、弹托外径D1以及贴锥面角度α等4个结构参数和弹托外表面和弹膛内表面的摩擦系数f作为单一变量，利用Ansys-workbench对各个不同变量的挤进结构模型进行网格划分、施加约束和载荷，计算后得到在以某一结构参数作为单一变量下的不同挤进阻力，并分析了某参数的变化对挤进阻力峰值和挤进后的稳定阻力值的影响。

本文的研究为该滑膛武器的结构设计提供了重要依据；同时，也对该类武器的弹托设计有着一定的参考价值。

［1］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2011.

［2］樊黎霞，何湘玥.弹丸挤进过程的有限元模拟与分析［J］.兵工学报，2011，32（08）:964-969.

［3］李强，吴宝双，申玉波，等.基于Abaqus弹丸挤进坡膛过程的有限元分析［J］.机械设计，2015，32（04）:61-65.

［4］金志明，曾思敏.弹丸挤进过程的计算与研究［J］.兵工学报，1991，13（1）:7-13.

［5］周成，王建花，顾克秋，等.火炮身管锥度对弹丸起始扰动的影响分析［J］.火力与指挥控制，2016，41（6）: 155-156.

［6］［俄］E.B.丘尔巴诺夫.挤进时期内弹道学与挤进压力计算［M］.杨敬荣，译.北京:国防工业出版社，1997:8-53.

［7］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2011:78-80.

下期要目

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Influence of Structural Parameters on Engraving Resistance

GAO Bi-xiang1，YANG Zhen1，WU Chen2
（1.School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Hunan Defense Industry Polytechnic，Xiangtan 411207，China）

In order to study the effect of different structural parameters，which is the smooth-bore，on the engraving resistance，In this paper，the different structure parameters of projectile and friction coefficient as a single variable，the change of engraving resistance are obtained by numerical simulation of engraving process in Ansys-workbench finite element software.Then analysis influence of structural parameters on the engraving resistance.The result can provide the theoretical references to design the structural of the smooth-bore projectile，and it has a certain reference value to the similar kind of weapon.

engraving process，engraving resistance，structural parameters，finite element simulation，structure design

TJ411

A

1002-0640（2017）03-0152-04

2016-02-05

2016-03-07

高碧祥（1991- ），男，重庆永川人，硕士研究生。研究方向：自动武器结构的设计和仿真分析技术。