有限空间筒式武器制动系统瞬态动力学分析*

张永刚, 杨淑良

(江西长江化工有限责任公司, 江西九江 332005)

有限空间筒式武器制动系统瞬态动力学分析*

张永刚, 杨淑良

(江西长江化工有限责任公司, 江西九江 332005)

文中采用有限元方法对80 mm有限空间筒式武器制动系统发射过程进行了仿真计算,比较了10#钢、20#钢、35#钢不同材料变形环的吸能效果。结果表明变形环材料采用20#钢使系统碰撞作用时间最长,活塞移动距离最大,具有最强的吸收冲击能量能力,这样就使得系统的轴向拉力也最小。综合计算结果,变形环材料选择使用20#钢。最后对三种材料制造的变形环进行了实弹射击试验研究,试验结果表明仿真计算是正确可行的。

有限元;有限空间;仿真;动态

0 引言

采用平衡抛射方式发射有限空间筒式武器[1-2]，发射时具有“四无二微”的特点,即无后坐力、无烟尘、无冲击波、无闪光和微声、微红外辐射,因此是未来城市攻坚战、隐蔽战、近距离遭遇战武器的重要发展方向之一。发射时活塞对变形环和制动环瞬间产生巨大冲击力,使得轴向制动对系统安全至关重要。要充分发挥制动系统的制动效能,就要对制动系统的结构和材料进行最佳优化设计。蔡庆荣[3]对制动环的挤进过程进行了准静态和动态试验研究,并对挤进过程从理论方面进行了一些探索性研究,但该制动系统没有变形环;沈磊[4]则进一步对活塞和制动环进行了全过程的仿真计算,得到了所关心参量的时间历程变化过程,并研究了该系统各部件的效能。

文中采用ANSYS/LS-DYNA有限元[5]软件对80 mm有限空间筒式武器制动系统在发射过程中不同时刻的应力、应变进行仿真计算,研究系统的轴向力、位移、速度、能量耗散等物理量的动态[6-7]变化过程,比较了不同材料变形环的吸能效果,为制动结构的设计和改进提供理论依据,最后再进行实弹射击试验以验证理论计算结果。

1 制动系统瞬态动力学仿真分析

1.1 制动系统有限元建模

制动系统由连接环、制动环、活塞、变形环和连接杆组成(如图1所示)。其中连接环通过连接结构和胶接的形式与复合材料筒身连接成一体并组成复合材料发射筒,这里为了减小计算量,复合材料筒身没有考虑在内。为了减少计算量,弹采用一个尺寸很小的圆柱体代替,但密度放大使其质量与真实弹相同。制动环与连接环、连接杆与活塞和弹实际采用螺纹连接,建模时去除螺纹采用胶接(glue)命令将连接环与制动环连接为一体。为了在活塞上施加压力,即火药爆炸形成的内压,建模时在活塞外表面上贴合了一层0.05 mm厚的压力面。

变形环的塑性变形吸能效果是有限空间发射器轴向安全制动性能的关键,其材料性能对变形环的塑性变形吸能效果影响很大。前期先后选用了铝合金(7A04-T6)、10#钢、A3钢、20#钢、35#钢、45#钢作为变形环材料用弹道炮进行试验,根据实验结果优先选择10#钢、20#钢、35#钢作为变形环材料。仿真计算时变形环材料设定为10#钢(20#钢、35#钢后面再进行对比仿真分析),连接环、制动环、活塞为铝合金7A04-T6,连接杆为20#钢,压力面为铝合金7A04-T6,上述部件都采用塑性随动硬化材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)。模拟弹为刚性体材料模型(MAT_RIGID)。材料参数见表1。

表1 材料力学性能参数

制动系统为轴对称结构,为了减少计算量,只取结构的1/4模型进行计算。计算时活塞、连接杆和弹的初速为170 m/s,在压力面上施加10 MPa压力,并设定好其它求解控制参数。

1.2 计算结果及分析

1.2.1 结构变形的动态显示

图2显示了不同时刻制动结构的变形情况,为便于观察,取结构1/2模型。

结果显示,由活塞初始位置开始,在t=0.39 ms时与变形环发生碰撞,在t=0.53 ms时变形环所受Von Mises应力最大,在t=0.57 ms时连接杆发生断裂,在t=0.7 ms活塞达到最大位移,后活塞发生轻微回弹,在t=1.0 ms稳定在最终位置。

1.2.2 变形环的应力分布动态显示

图3显示了不同时刻变形环的Von Mises应力分布情况。结果显示,在碰撞开始时刻,即在t=0.39 ms时变形环所受Von Mises应力最大为1427 MPa;在t=0.53 ms时变形环所受Von Mises应力最大,为8 472 MPa,已远大于材料的压缩强度,说明变形环已经发生明显塑性变形;在t=0.57 ms时连接杆发生断裂,此时变形环所受Von Mises应力最大为6 325 MPa,继续发生塑性变形;从t=0.85 ms开始变形环所受最大Von Mises应力下降为1 833 MPa,以后逐步下降,说明此时开始变形环基本不再发生塑性变形。上述最大应力均发生在变形环口部。

1.2.3 能量耗散过程

图4、图5分别是变形环内能变化曲线及系统的总内能变化曲线。从变形环内能变化曲线可知,其内能最大值出现在碰撞后0.25 ms时,为606.76 J。而系统内能最大值出现在碰撞后0.27 ms时,为930.55 J,故变形环最后的内能占到系统最后内能的65%。

1.2.4 速度变化过程

图6、图7分别显示的是活塞和弹的速度变化曲线,二者初速度均为170 m/s。弹在碰撞发生后0.19 ms时与活塞脱离,此时速度为167.8 m/s。活塞在碰撞发生后0.28 ms时速度变为0,后速度反向,以较小速度发生轻微后退,在碰撞发生后0.61 ms时基本稳定。

1.2.5 活塞位移过程

图8为活塞位移变化曲线。由位移变化曲线可知在碰撞发生后0.28 ms时活塞具有最大位移,为22.7 mm。

1.2.6 轴向力变化过程

图9是连接环轴向力变化曲线。由轴向力变化曲线可知,连接环所受最大拉伸力为234 549 N,时间在碰撞发生后0.1 ms时;最大压力为934 59 N,时间在碰撞发生后0.38 ms时。连接环承受压力可能是由于活塞在后退过程中与连接环摩擦造成的。

1.3 不同材料变形环的优化选择

将变形环的材料分别选定为20#钢和35#钢进行计算,得到另外二种材料的制动结构的动力学结果,具体见表2。从表2的对比中可以看出,与10#钢和35#钢相比,变形环材料采用20#钢碰撞作用时间最大,为0.33 ms;活塞移动距离最大,为23.97 mm;具有最强的吸收冲击能量能力,变形环最后内能与系统最后内能比率为82%,这样就使得连接环Von Mises应力最小,系统的轴向拉力最小,为2.31*106N。综合这些结果,变形环材料选择使用20#钢。

表2 三种材料的变形环的动力学仿真结果

2 不同材料变形环的变形吸能试验研究

在变形环结构尺寸和内弹道一定的条件下,对10#钢、20#钢、35#钢三种材料的变形环进行了实弹射击对比试验。试验后变形环变形见图10,图中从左至右分别为10#钢、20#钢、35#钢三种不同材料变形环发射后的塑性变形吸能情况。

从图10可知,三种材质的变形环均能有效变形吸能,但10#钢变形环口部易出现皱折,20#钢与35#钢变形环变形完好,具有较好的变形吸能效果,但20#钢活塞的运行距离和变形环的变形长度稍大于35#钢,说明在该系统条件下20#钢优于35#钢,这与有限元仿真分析结果基本一致。

3 结论

文中采用Ansys/LS-DYNA有限元软件对有限空间武器制动系统进行仿真模拟,对制动系统的各个部件在发射过程中不同时刻的应力、应变进行了计算,

给出了系统的轴向力、位移、速度、能量耗散等物理量的变化过程,与10#钢和35#钢相比,变形环材料采用20#钢碰撞作用时间最大,为0.33 ms;活塞移动距离最大,为23.97 mm;具有最强的吸收冲击能量能力,变形环最后内能与系统最后内能比率为82%,这样就使得连接环Von Mises应力最小,系统的轴向拉力最小,为2.31×106N。根据计算结果,变形环材料选择使用20#钢。最后对三种材料制造的变形环进行了实弹射击试验研究,试验结果与理论仿真分析结果一致,表明仿真计算是正确可行的。

[1] 魏庆生, 彭宗法. 单兵肩射筒式武器回顾与展望 [J]. 轻兵器, 2006(14): 9-11.

[2] 来峰, 芮筱亭, 陈涛. 一种平衡抛射单兵反装甲武器发射装药低温发射安全性分析 [J]. 兵工学报, 2010, 31(4): 429-433.

[3] 蔡庆荣. 筒式武器闭气制动装置力学特性分析及试验研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2003.

[4] 沈磊. 筒式武器制动部件效能的研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2004.

[5] 王瑁成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法 [M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 1997: 443-475.

[6] 张中利, 于存贵, 马大为, 等. 冲击作用下易碎式密封盖数值仿真及实验分析 [J]. 爆炸与冲击, 2008, 28(1): 62-66.

[7] 孔文, 张铁柱, 赵红, 等. 基于Hyperworks和LS-DYNA的客车碰撞仿真分析 [J]. 青岛大学学报(工程技术版), 2015, 30(4): 101-104.

AnalysisonTransientDynamicsoftheBrakeSystemoftheTube-typeWeaponwithFiniteSpace

ZHANG Yonggang, YANG Shuliang

(Jiangxi Changjiang Chemical Co. Ltd. Jiangxi Jiujiang 332005, China)

The launching process of 80 mm finite space tube type weapon braking system was calculated and simulated by the finite element method in this paper, and the energy absorbing effects of deformation ring made of 10#steel, 20#steel and 35#steel respectively were compared. The calculation results showed that when the deformation ring adopted 20#steel, the system collision time was the longest, the piston displacement distance was the largest and the ability of absorbing impact energy was the strongest, which made the axial tension of the system the smallest. According to the comprehensive calculation results, 20#steel was selected as the deformation ring material. Finally, the live firing experimental investigation of the deformation ring made of three kinds of materials was carried out, and the experimental results showed that the finite element calculation result was correct and feasible.

finite element; finite space; simulation; dynamic

TJ711.9

A

2016-08-29

张永刚(1978-),男,湖北襄阳人,高级工程师,硕士,研究方向:复合材料结构设计与仿真计算研究。