周成，王建花，顧克秋，李強(qiáng)

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，南京210094；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

火炮身管錐度對彈丸起始擾動的影響分析*

周成1，王建花1，顧克秋2，李強(qiáng)2

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，南京210094；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

火炮身管設(shè)計時，根據(jù)強(qiáng)度理論有一段圓錐段，身管圓錐段錐度的大小影響近炮口段身管剛度的大小，剛度大小對于彈丸起始擾動的影響規(guī)律值得進(jìn)行研究。針對這一問題，建立某大口徑火炮彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型，計算不同工況下錐度為c=0°、c=0.38°、c=0.73°和c=1.17°時彈丸膛內(nèi)的運動規(guī)律。分析結(jié)果表明，對建立的某大口徑火炮而言，在保證身管質(zhì)量、質(zhì)心不變的前提下，身管錐度越小，即身管近炮口段越粗，身管近炮口段剛度越大，越有利于減小彈丸起始擾動。

火炮，身管錐度，彈丸起始擾動，有限元分析

0　引言

身管是火炮炮身的基本部件，在發(fā)射時直接承受高溫高壓火藥氣體的作用，并賦予彈丸一定的初速和方向。根據(jù)身管理論強(qiáng)度曲線，大口徑火炮身管外形結(jié)構(gòu)主要是圓柱與圓錐形的組合結(jié)構(gòu)，圓柱段與搖架襯瓦配合，便于身管的后坐以及復(fù)進(jìn)運動；圓錐段可達(dá)到身管減重的目的，也滿足身管重心位置更靠近身管后端面的要求。身管圓錐段錐度的大小影響近炮口段身管剛度的大小，勢必影響火炮發(fā)射時彈丸的起始擾動，在火炮發(fā)射動力學(xué)領(lǐng)域目前未見相關(guān)方面的研究。為了對其規(guī)律進(jìn)行探索，本文建立了某大口徑牽引火炮彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型，分析身管錐度對彈丸起始擾動的影響。

1　彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元建模

1.1建?；炯僭O(shè)

火炮發(fā)射過程中，由于存在彈丸質(zhì)量偏心、重力場下身管的預(yù)彎、前定心部與身管內(nèi)壁陽線的間隙、彈丸卡膛、彈丸擠進(jìn)等復(fù)雜因素的影響，使得彈丸在膛內(nèi)時期與身管的相互作用十分復(fù)雜，本文所建立的彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型對彈丸膛內(nèi)運動力學(xué)模型作如下幾點假設(shè)［1-6］:

（1）彈體和身管在發(fā)射過程中只發(fā)生彈性變形，而彈帶考慮塑性變形，即彈帶與身管膛線的接觸/碰撞中可產(chǎn)生塑性應(yīng)變；

（2）考慮彈丸前定心部與身管內(nèi)壁陽線的間隙，即考慮火炮發(fā)射時身管軸線與彈丸軸線不重合的初始狀態(tài)；

（3）預(yù)加彈丸和全炮在火炮發(fā)射前所受重力場，即考慮身管的預(yù)彎作用；

（4）忽略彈帶的擠進(jìn)過程，即假設(shè)彈帶部分已完全嵌入膛線，同時忽略彈帶所受擠進(jìn)應(yīng)力作用；

（5）不考慮后效期炮口制退器流場和火藥氣體后效作用對彈丸運動的影響。

1.2彈丸與身管耦合的有限元模型

1.2.1彈丸有限元模型

根據(jù)彈炮耦合基本假設(shè)，忽略彈帶的擠進(jìn)過程，在彈帶上預(yù)先刻出彈帶在彈丸擠進(jìn)過程中出現(xiàn)的刻痕，彈丸的三維模型及有限元模型如圖1所示。

圖1　彈丸三維模型及有限元模型

1.2.2后坐部分有限元模型

后坐部分主要由炮口制退器、身管、炮尾3個部分組成，其中身管膛線類型為混合膛線，膛線數(shù)目為48條。將整個后坐體簡化為兩個部分，一部分為炮口制退器，另一部分為身管及炮尾的一體結(jié)構(gòu)，其中炮尾簡化為一個方塊體。綜合利用三維建模軟件CREO、網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh、有限元分析軟件ABAQUS，建立了如圖2所示的身管膛線有限元模型、如圖3所示的后坐部分有限元模型以及如圖4所示的彈丸與身管耦合有限元模型。

圖2　身管膛線的有限元模型

圖3　后坐部分有限元模型

圖4　彈丸與身管耦合有限元模型

1.3彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型

某大口徑輕型牽引火炮由后坐體、搖架、反后坐裝置、高平機(jī)、上架、下架、前大架、后大架、運動體等組成。

對于部件的建模，要綜合考慮計算效率以及計算成本。本文對部件的三維實體模型進(jìn)行了合理的簡化，采用不同單元混合建模的方法。如后坐體、襯瓦等部件采用實體單元建模；搖架、上架、下架、前大架、后大架采用殼單元建模；輔助供輸彈機(jī)、操瞄裝置、行軍裝置、方向機(jī)等部件采用施加同等質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的質(zhì)量點代替。

使用連接器模擬部件間的連接關(guān)系。如用施加等效剛度、阻尼和初始平衡力的單軸連接器模擬高平機(jī)；前大架、下架與土壤相互作用采用土壤接觸模型模擬，而駐鋤與土壤間的相互作用關(guān)系采用集中參數(shù)模型來模擬。

彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型如圖5所示。

圖5　彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型

2　計算分析

2.1計算工況

下頁圖6為某155 mm口徑身管的外形圖，在保證身管質(zhì)量質(zhì)心不變的前提下，以身管圓錐段母線與身管軸線的夾角c（即錐度）作為變量來研究身管錐部對彈丸起始擾動的影響規(guī)律，該身管設(shè)計狀態(tài)下的錐度c為0.73°。保證左邊兩個圓柱段直徑不變，通過增大或減小右邊圓柱段的直徑來改變身管圓錐段的錐度。計算如下工況:

圖6　身管外形結(jié)構(gòu)示意圖

工況1:高低射角0°/方向射角0°，比較錐度c=0°、c=0.38°、c=0.73°和c=1.17°四種情況下彈丸膛內(nèi)的運動規(guī)律；

工況2:高低射角48°/方向射角0°，比較錐度c=0°、c=0.38°、c=0.73°和c=1.17°四種情況下彈丸膛內(nèi)的運動規(guī)律。

2.2計算結(jié)果

本文綜合應(yīng)用ABAQUS軟件中顯式求解器和隱式求解器各自的特點及其優(yōu)勢，建立彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型。首先，利用隱式求解器求得全炮受重力場作用下的初始發(fā)射狀態(tài)，設(shè)置重啟動分析，將重力場以預(yù)定義場形式施加到顯式分析步中；然后利用顯式求解器求解重力場作用下的火炮發(fā)射過程，實現(xiàn)了彈炮耦合全炮動力學(xué)有限元模型的分析計算。計算結(jié)果選取彈丸出炮口時刻豎直和水平方向的角位移、角速度、速度作為彈丸起始擾動值。通過對彈丸豎直和水平方向角位移、角速度、速度進(jìn)行加權(quán)和歸一化處理，建立了表征彈丸起始擾動的綜合評價指標(biāo)fDW:

式中fDW為表征彈丸起始擾動的綜合評價指標(biāo)，θz、θy為彈丸豎直方向和水平方向角位移，ωz、ωy為彈丸豎直方向和水平方向角速度，νy、νz為彈丸豎直方向和水平方向速度；θz0、ωz0、θy0、ωy0、νy0、νz0為彈丸起始擾動初始值；α1、β1、γ1、α2、β2、γ2分別根據(jù)各彈丸參量的影響程度來確定的經(jīng)驗值，且滿足α1+β1+γ1+α2+β2+γ2=1。

工況1和工況2四種錐度下彈丸出炮口時刻起始擾動的具體表征量計算數(shù)值如表1所示。

表1　出炮口時刻彈丸起始擾動表征量數(shù)值

為了便于繪制曲線對比計算結(jié)果，選取工況1身管錐度c=0.38°和c=1.17°時彈丸豎直方向角位移、彈丸水平方向角位移等起始擾動數(shù)值，身管錐度c=0.38°和c=1.17°時各規(guī)律曲線如圖7～圖12。

圖7　工況1彈丸豎直方向角位移

圖8　工況1彈丸水平方向角位移

圖9　工況1彈丸豎直方向角速度

圖10　工況1彈丸水平方向角速度

根據(jù)圖7～圖12，對比錐度c=0.38°和c=1.17°下彈丸膛內(nèi)的運動規(guī)律，可以看出，在保證身管質(zhì)量、質(zhì)心不變的前提下，錐度c=0.38°下彈丸近出炮口段豎直方向的角位移、角速度、速度振動幅度比c=1.17°的要小，水平方向的角位移、角速度、速度則沒有太明顯的規(guī)律。也就是說身管質(zhì)量、質(zhì)心不變的情況下，身管錐度減小即身管近炮口段加粗，身管近炮口段剛度增大，有利于減小彈丸在膛內(nèi)豎直方向的振動。

圖11　工況1彈丸豎直方向速度

圖12　工況1彈丸水平方向速度

圖13為工況1和工況2在不同錐度下彈丸起始擾動綜合評價指標(biāo)的變化趨勢。結(jié)合表1可以明顯看出，在身管質(zhì)量質(zhì)心不變的前提下，隨著身管錐度的減小，彈丸起始擾動是逐漸減小的。

圖13　不同錐度下彈丸起始擾動的變化曲線

3　結(jié)論

分析結(jié)果表明，對于本文的某大口徑牽引火炮而言，在保證身管質(zhì)量、質(zhì)心不變的前提下，身管錐度越小，即身管近炮口段越粗，身管近炮口段剛度越大，越有利于減小彈丸起始擾動。因此，對于這樣的大口徑長身管火炮而言，為減小彈丸起始擾動，應(yīng)綜合考慮具體情況適當(dāng)增大身管近炮口段直徑。

［1］郭錫福.遠(yuǎn)程火炮武器系統(tǒng)射擊精度分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［2］王兆勝.遠(yuǎn)程炮武器系統(tǒng)射擊精度研究與射擊精度戰(zhàn)技指標(biāo)論證［D］.南京:南京理工大學(xué)，2003.

［3］陳世業(yè).自行火炮彈炮多體發(fā)射系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［4］葛建立.車載炮非線性有限元仿真分析［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［5］張俊飛.某火炮結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2013.

［6］彭迪.超輕型火炮結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元分析與總體優(yōu)化匹配技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2012.

Analysis Impact of Tube Coning for Initial Projectile Disturbance

ZHOU Cheng1，WANG Jian-hua1，GU Ke-qiu2，LI Qiang2
（1.Engineering Training Center，NUST，Nanjing 210094，China；2.School of Mechanical Engineering.NUST，Nanjing 210094，China）

According to the theory of strength，there is a screwshaft cone when designing artillery tube.The coning of the screwshaft cone can influence the stiffness of tube near muzzle.Stiffness pellet size for the initial disturbance influence of worthy research.Concerning this issue，the projectile-barrel coupling dynamics finite element model of some large caliber artillery is established and then the movement rule of projectile in the bore is calculated when the coning is 0°、0.38°、0.73°、and 1.17°in different working conditions.The analysis shows that under the precondition of keeping tube quality and centroid invariant，for some large caliber artillery，the smaller the tube coning namely the thicker and the higher the stiffness of the tube near muzzle，the more benefits decreasing initial disturbance of projectile.

gun，tubeconing，initialprojectiledisturbance，finiteelementanalysis

TJ301

A

1002-0640（2016）06-0153-04

2015-05-05

2015-06-17

武器裝備預(yù)先研究基金資助項目（40404050401）

周成（1986-）男，江蘇漣水人，碩士，工程師。研究方向：輕量化火炮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體技術(shù)。