張世林, 王 剛

(中船重工第710研究所, 湖北宜昌 443000)

0 引言

子母戰(zhàn)斗部是常規(guī)彈藥發(fā)展的方向[1],不同的子母戰(zhàn)斗部具有不同的開倉、分離結(jié)構(gòu)。對于中小口徑子母式彈藥,目前主要采用火藥燃?xì)饬ν苿踊钊麑?zhàn)斗部殼體頭弧部或者與發(fā)動機(jī)連接部處的螺紋或連接銷剪斷,通過火藥燃?xì)饬ν苿油瓢鍖⒆訌椝幯刂鴱椵S方向推出[2-3]。對于采用剪切螺紋開倉的設(shè)計(jì),其拋撒燃?xì)鈮毫ο鄬^高,分離藥量大,對彈身殼體材料強(qiáng)度要求高,而采用銷釘連接的設(shè)計(jì),拋撒燃?xì)鈮毫ο鄬^小,可避免彈身殼體的變形,但連接強(qiáng)度低。

某型特種子母式火箭彈,開倉分離結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于彈身殼體材料為玻璃鋼,且有膠結(jié)連接點(diǎn),開倉布放只能選擇剪切銷釘開倉方式。采用銷釘連接方式,已經(jīng)逐漸不滿足安全生產(chǎn)的環(huán)境要求,并且隨著振動等因素,連接強(qiáng)度也會逐漸降低,甚至松動脫落。為此,文中設(shè)計(jì)了一種新型的分離機(jī)構(gòu),能夠安全可靠的實(shí)現(xiàn)該型火箭彈彈箭分離和子彈開倉布放,且能夠保持其連接強(qiáng)度。通過運(yùn)用LS-DYNA有限元軟件對新型分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)合理論計(jì)算和靜態(tài)分離試驗(yàn)驗(yàn)證,表明該分離機(jī)構(gòu)是可靠安全的,能夠?yàn)楹罄m(xù)該型火箭彈的改進(jìn)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 彈箭分離機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的某型火箭彈彈箭分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示,它是在原有某型火箭彈的分離結(jié)構(gòu)(圖1所示)基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì),其主要結(jié)構(gòu)由彈身殼體、彈帶環(huán)、后底、密封圈、彈帶壓環(huán)、剛性環(huán)箍和分離藥盒等組成。彈身殼體材料為玻璃鋼,彈帶環(huán)、彈帶壓環(huán)和剛性環(huán)箍材料為45#鋼,后底材料為硬鋁合金。彈身殼體與彈帶環(huán)通過粘接相連,粘接力大于30 kN,彈帶環(huán)表面采用外螺紋設(shè)計(jì);后底均勻分布4個(gè)剪切凸臺,嵌入彈帶環(huán)矩形凹槽內(nèi),通過彈帶壓環(huán)將其壓緊不松動,剛性環(huán)箍通過螺紋旋入彈帶環(huán)中,且與彈帶壓環(huán)緊密相接觸,實(shí)現(xiàn)軸向約束作用。

2 彈箭分離機(jī)構(gòu)理論計(jì)算

2.1 剪切分離藥量計(jì)算

由于彈身殼體與彈帶環(huán)的粘接力值不小于30 kN,為保證發(fā)動機(jī)能夠可靠分離,并且彈身殼體與彈帶環(huán)之間的粘接無松動脫落,必須合理設(shè)計(jì)后底剪切凸臺的剪切力,4根凸臺所承受的剪切力為:

F=4F1=4τS=4×0.66×390×10-6×

6.5×2×10-6=12 000 N

(1)

式中:F為4個(gè)凸臺所承受的剪切力;τ為硬鋁的許用剪切應(yīng)力;S為剪切凸臺的剪切面積。

4個(gè)凸臺所承受的剪切應(yīng)力力Pt為:

(2)

式中:K為剪切系數(shù),取2;S為受壓面積;D為受壓面直徑。

分離藥采用HY-5黑火藥,則燃?xì)馑查g壓力峰值Pmax需大于4個(gè)凸臺所承受的剪切應(yīng)力Pt:

(3)

Pmax≥Pt

(4)

式中:Pmax為火藥產(chǎn)生的最大壓力;mg為點(diǎn)火藥量;f為火藥力(f=3×105N·m/kg);V0為點(diǎn)火自由容積。

計(jì)算得:分離藥量mg≈4 g產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫δ芸煽考魯嗪蟮准羟型古_。

2.2 分離機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

由于分離結(jié)構(gòu)采用膠結(jié)和螺紋緊固連接,必須對其進(jìn)行強(qiáng)度校核,防止火藥壓力過大或者意外情況導(dǎo)致分離結(jié)構(gòu)失效。彈帶壓環(huán)內(nèi)螺紋尺寸為M170×2,后底外螺紋尺寸為M165×2,查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[4],對彈帶壓環(huán)和后底螺紋進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核:

F壓力=kzπd1bz(0.7δ鋼)=0.75×3.14×170×

0.87×2×6×0.6×600=15×105N

(5)

F環(huán)箍=kzπd2bz(0.7δ硬鋁)=0.75×3.14×165×

0.87×2×6×0.6×180=4.4×105N

(6)

式中:kz為載荷不均勻系數(shù);d1、d2為螺紋小徑;b為螺紋牙根部寬度;δ為屈服強(qiáng)度。

由式(5)、式(6)可知,后底凸臺抗剪切力遠(yuǎn)小于彈帶壓環(huán)和剛性環(huán)箍的螺紋剪切力,分離藥盒點(diǎn)火工作時(shí),螺紋處不會發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象。

考慮到改型火箭彈在吊裝過程中意外跌落產(chǎn)生的慣性力,可能導(dǎo)致后底剪切凸臺被剪斷,由式(7)可知:火箭彈高空跌落產(chǎn)生的慣性力不能導(dǎo)致后底凸臺被剪斷,同時(shí)由于剛性環(huán)箍的軸向約束作用,提高了其可靠性。

F慣性力=ma=40×500=2×104N

(7)

式中:m為火箭彈的質(zhì)量;a為2 m裸彈跌落至鋼板上的加速度峰值。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

文中采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行彈箭分離簡化機(jī)構(gòu)的數(shù)值模擬分析,采用流固耦合算法。數(shù)值模型由燃燒室、火藥、空氣、后底和彈帶環(huán)組成,其中火藥和空氣采用歐拉網(wǎng)格建模,單元使用多物質(zhì)ALE算法,燃燒室、后底和彈帶環(huán)采用拉格朗日網(wǎng)格建模。

采用TRUEGRID軟件進(jìn)行有限元模型的建立,模型簡化為如圖3所示模型。網(wǎng)格單元采用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元,后底采用硬鋁合金,模型選用PLASTIC_KINEMATIC材料模型,其材料參數(shù)為密度ρ=2.7×10-6kg/mm3、彈性模量E=7.03 GPa、失效應(yīng)變fs=0.6;燃燒室和彈帶壓環(huán)采用45#鋼時(shí)MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程;火藥采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高速爆炸燃燒材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述,其密度ρ=1.433×10-6kg/mm3、爆速D=2.9 m/ms、PCJ=3.0 GPa;空氣采用NULL材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程描述。參考值見文獻(xiàn)[5-7]。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算,分析了4 g、5 g、10 g等不同質(zhì)量的分離藥量對分離機(jī)構(gòu)的影響。如圖4所示為后底在10 g火藥載荷作用時(shí)不同時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖,可以看出,當(dāng)分離藥燃燒后,迅速在燃燒室密封空腔內(nèi)形成高溫高壓氣體,燃?xì)鈮毫ρ杆傺刂蟮妆砻嫦虬霃椒较騻鞑?后底在燃?xì)鈮毫d荷的作用下,克服彈帶壓環(huán)的約束作用沿彈軸方向運(yùn)動,后底剪切凸臺處在28 μs左右時(shí),應(yīng)力達(dá)到最大值,發(fā)生屈服變形直至剪切。彈帶壓環(huán)對后底的軸向約束解除,燃燒室內(nèi)高溫高壓氣體繼續(xù)對后底驅(qū)動做功,后底加速飛行直至獲得穩(wěn)定的分離速度,如圖5所示為后底不同時(shí)刻的速度曲線圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果開展試驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證彈箭分離結(jié)構(gòu)工作的可行性。試驗(yàn)共進(jìn)行4發(fā),每發(fā)試驗(yàn)樣機(jī)對應(yīng)不同的火藥量,分離藥量分別為4 g、5 g、10 g、20 g。試驗(yàn)時(shí)采用后連接底進(jìn)行替代模擬發(fā)動機(jī),如圖6試驗(yàn)裝置簡圖所示,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 彈箭分離結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,采用不同質(zhì)量的分離藥量均能可靠實(shí)現(xiàn)彈箭分離。隨著分離藥量的增加,模擬發(fā)動機(jī)的分離速度逐漸提高,1號模擬發(fā)動機(jī)的分離速度最低,4號模擬發(fā)動機(jī)的分離速度最大。圖7為高速攝像拍攝的第4#試驗(yàn)樣機(jī)點(diǎn)火分離的試驗(yàn)過程,模擬發(fā)動機(jī)質(zhì)量件在火藥燃?xì)獾淖饔孟卵杆俜蛛x,整個(gè)分離和飛行過程比較平穩(wěn)。從4#試驗(yàn)回收結(jié)果可以看出,彈身殼體與彈帶環(huán)之間的膠結(jié)正常,無松動現(xiàn)象,彈帶環(huán)和彈帶壓環(huán)之間無脫落;觀測后底4個(gè)剪切凸臺均可靠被剪切,根部剪切平整,無明顯凸起。

試驗(yàn)結(jié)論:

文中設(shè)計(jì)的剪切分離機(jī)構(gòu)其理論剪切值所需要的分離藥量與試驗(yàn)值基本相差不大,與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

1)利用彈帶的厚度優(yōu)勢,結(jié)合某型火箭彈的分離結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種新型的低過載彈箭分離機(jī)構(gòu),分離藥量少,同時(shí)避免了打銷的環(huán)節(jié),提高了彈箭連接強(qiáng)度和操作安全性。

2)通過分析計(jì)算,對文中設(shè)計(jì)的改進(jìn)型分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分離藥量的確定,當(dāng)分離藥量為4 gHY-5黑火藥時(shí),即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與彈身的正常分離,且不會導(dǎo)致其它結(jié)構(gòu)的損壞。

3)通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證了不同質(zhì)量的分離藥量對改進(jìn)型分離機(jī)構(gòu)的可靠性,試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合。分離藥量最大為20 g時(shí),分離機(jī)構(gòu)可正常工作,彈身殼體粘接強(qiáng)度可抗20 g分離藥量的沖擊,不影響其粘接強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果說明改進(jìn)型分離機(jī)構(gòu)性能可靠,滿足了設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用要求。

4)為保證可靠剪切分離,提高分離藥量裕度和模擬發(fā)動機(jī)的分離速度,同時(shí)降低其分離過載,可選取適當(dāng)?shù)姆蛛x藥量。

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