基于异常压力场的火炮身管断裂失效再现数值模拟

于情波,杨国来,葛建立,孙全兆,曹 杰

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

火炮身管起到密封内弹道时期高温、高压火药燃气的作用,并为弹丸内弹道运动过程提供相应的空间约束。在实际的火炮发射过程中,火炮身管受力极为复杂。在日常射击过程中,火炮等身管常规武器会意外发生身管胀膛甚至产生一定程度的结构断裂的情况。由于身管产生断裂失效的过程是一个非常复杂的力学、物理以及化学过程,很难直接对其进行直观的实验研究,只能在人为的相关假设以及简化的基础上借助间接的手段对其进行分析。计算机数值仿真技术可以较真实地再现实际物理场变化过程,定性或某种程度地定量描述出结构的应力、应变以及破损形貌的时程变化情况,更直观地为实际工程问题的研究提供相应的帮助[1-2]。身管裂纹产生与扩展过程实际上是关于材料弹塑性力学的问题,有限元方法以变分理论为基础,在解决这类弹塑性工程问题方面具有一定的优势。应用有限元方法对身管强度进行数值模拟时,常规方法是将火药燃气荷载压力等效为时间域的幅值曲线[3],直接施加于身管内壁,回避了高压、高速火药气体流场与身管之间的相互耦合作用,与实际的物理场变化过程差别较大。为实现实际的物理场变化过程,利用炸药爆轰过程产生的强冲击气体流场近似替代实际发射过程中火药气体流场。炸药可以瞬间在有效空间内产生比较复杂的高压气流物理场,用以近似模拟火药气体与身管内壁的相互作用。……