張永剛, 楊淑良

(江西長(zhǎng)江化工有限責(zé)任公司, 江西九江 332005)

有限空間筒式武器制動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析*

張永剛, 楊淑良

(江西長(zhǎng)江化工有限責(zé)任公司, 江西九江 332005)

文中采用有限元方法對(duì)80 mm有限空間筒式武器制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算,比較了10#鋼、20#鋼、35#鋼不同材料變形環(huán)的吸能效果。結(jié)果表明變形環(huán)材料采用20#鋼使系統(tǒng)碰撞作用時(shí)間最長(zhǎng),活塞移動(dòng)距離最大,具有最強(qiáng)的吸收沖擊能量能力,這樣就使得系統(tǒng)的軸向拉力也最小。綜合計(jì)算結(jié)果,變形環(huán)材料選擇使用20#鋼。最后對(duì)三種材料制造的變形環(huán)進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明仿真計(jì)算是正確可行的。

有限元;有限空間;仿真;動(dòng)態(tài)

0 引言

采用平衡拋射方式發(fā)射有限空間筒式武器[1-2]，發(fā)射時(shí)具有“四無(wú)二微”的特點(diǎn),即無(wú)后坐力、無(wú)煙塵、無(wú)沖擊波、無(wú)閃光和微聲、微紅外輻射,因此是未來(lái)城市攻堅(jiān)戰(zhàn)、隱蔽戰(zhàn)、近距離遭遇戰(zhàn)武器的重要發(fā)展方向之一。發(fā)射時(shí)活塞對(duì)變形環(huán)和制動(dòng)環(huán)瞬間產(chǎn)生巨大沖擊力,使得軸向制動(dòng)對(duì)系統(tǒng)安全至關(guān)重要。要充分發(fā)揮制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能,就要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)。蔡慶榮[3]對(duì)制動(dòng)環(huán)的擠進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究,并對(duì)擠進(jìn)過(guò)程從理論方面進(jìn)行了一些探索性研究,但該制動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有變形環(huán);沈磊[4]則進(jìn)一步對(duì)活塞和制動(dòng)環(huán)進(jìn)行了全過(guò)程的仿真計(jì)算,得到了所關(guān)心參量的時(shí)間歷程變化過(guò)程,并研究了該系統(tǒng)各部件的效能。

文中采用ANSYS/LS-DYNA有限元[5]軟件對(duì)80 mm有限空間筒式武器制動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)射過(guò)程中不同時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行仿真計(jì)算,研究系統(tǒng)的軸向力、位移、速度、能量耗散等物理量的動(dòng)態(tài)[6-7]變化過(guò)程,比較了不同材料變形環(huán)的吸能效果,為制動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù),最后再進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn)以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。

1 制動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)有限元建模

制動(dòng)系統(tǒng)由連接環(huán)、制動(dòng)環(huán)、活塞、變形環(huán)和連接桿組成(如圖1所示)。其中連接環(huán)通過(guò)連接結(jié)構(gòu)和膠接的形式與復(fù)合材料筒身連接成一體并組成復(fù)合材料發(fā)射筒,這里為了減小計(jì)算量,復(fù)合材料筒身沒(méi)有考慮在內(nèi)。為了減少計(jì)算量,彈采用一個(gè)尺寸很小的圓柱體代替,但密度放大使其質(zhì)量與真實(shí)彈相同。制動(dòng)環(huán)與連接環(huán)、連接桿與活塞和彈實(shí)際采用螺紋連接,建模時(shí)去除螺紋采用膠接(glue)命令將連接環(huán)與制動(dòng)環(huán)連接為一體。為了在活塞上施加壓力,即火藥爆炸形成的內(nèi)壓,建模時(shí)在活塞外表面上貼合了一層0.05 mm厚的壓力面。

變形環(huán)的塑性變形吸能效果是有限空間發(fā)射器軸向安全制動(dòng)性能的關(guān)鍵,其材料性能對(duì)變形環(huán)的塑性變形吸能效果影響很大。前期先后選用了鋁合金(7A04-T6)、10#鋼、A3鋼、20#鋼、35#鋼、45#鋼作為變形環(huán)材料用彈道炮進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)先選擇10#鋼、20#鋼、35#鋼作為變形環(huán)材料。仿真計(jì)算時(shí)變形環(huán)材料設(shè)定為10#鋼(20#鋼、35#鋼后面再進(jìn)行對(duì)比仿真分析),連接環(huán)、制動(dòng)環(huán)、活塞為鋁合金7A04-T6,連接桿為20#鋼,壓力面為鋁合金7A04-T6,上述部件都采用塑性隨動(dòng)硬化材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)。模擬彈為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

制動(dòng)系統(tǒng)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),為了減少計(jì)算量,只取結(jié)構(gòu)的1/4模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)活塞、連接桿和彈的初速為170 m/s,在壓力面上施加10 MPa壓力,并設(shè)定好其它求解控制參數(shù)。

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)顯示

圖2顯示了不同時(shí)刻制動(dòng)結(jié)構(gòu)的變形情況,為便于觀察,取結(jié)構(gòu)1/2模型。

結(jié)果顯示,由活塞初始位置開(kāi)始,在t=0.39 ms時(shí)與變形環(huán)發(fā)生碰撞,在t=0.53 ms時(shí)變形環(huán)所受Von Mises應(yīng)力最大,在t=0.57 ms時(shí)連接桿發(fā)生斷裂,在t=0.7 ms活塞達(dá)到最大位移,后活塞發(fā)生輕微回彈,在t=1.0 ms穩(wěn)定在最終位置。

1.2.2 變形環(huán)的應(yīng)力分布動(dòng)態(tài)顯示

圖3顯示了不同時(shí)刻變形環(huán)的Von Mises應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示,在碰撞開(kāi)始時(shí)刻,即在t=0.39 ms時(shí)變形環(huán)所受Von Mises應(yīng)力最大為1427 MPa;在t=0.53 ms時(shí)變形環(huán)所受Von Mises應(yīng)力最大,為8 472 MPa,已遠(yuǎn)大于材料的壓縮強(qiáng)度,說(shuō)明變形環(huán)已經(jīng)發(fā)生明顯塑性變形;在t=0.57 ms時(shí)連接桿發(fā)生斷裂,此時(shí)變形環(huán)所受Von Mises應(yīng)力最大為6 325 MPa,繼續(xù)發(fā)生塑性變形;從t=0.85 ms開(kāi)始變形環(huán)所受最大Von Mises應(yīng)力下降為1 833 MPa,以后逐步下降,說(shuō)明此時(shí)開(kāi)始變形環(huán)基本不再發(fā)生塑性變形。上述最大應(yīng)力均發(fā)生在變形環(huán)口部。

1.2.3 能量耗散過(guò)程

圖4、圖5分別是變形環(huán)內(nèi)能變化曲線及系統(tǒng)的總內(nèi)能變化曲線。從變形環(huán)內(nèi)能變化曲線可知,其內(nèi)能最大值出現(xiàn)在碰撞后0.25 ms時(shí),為606.76 J。而系統(tǒng)內(nèi)能最大值出現(xiàn)在碰撞后0.27 ms時(shí),為930.55 J,故變形環(huán)最后的內(nèi)能占到系統(tǒng)最后內(nèi)能的65%。

1.2.4 速度變化過(guò)程

圖6、圖7分別顯示的是活塞和彈的速度變化曲線,二者初速度均為170 m/s。彈在碰撞發(fā)生后0.19 ms時(shí)與活塞脫離,此時(shí)速度為167.8 m/s。活塞在碰撞發(fā)生后0.28 ms時(shí)速度變?yōu)?,后速度反向,以較小速度發(fā)生輕微后退,在碰撞發(fā)生后0.61 ms時(shí)基本穩(wěn)定。

1.2.5 活塞位移過(guò)程

圖8為活塞位移變化曲線。由位移變化曲線可知在碰撞發(fā)生后0.28 ms時(shí)活塞具有最大位移,為22.7 mm。

1.2.6 軸向力變化過(guò)程

圖9是連接環(huán)軸向力變化曲線。由軸向力變化曲線可知,連接環(huán)所受最大拉伸力為234 549 N,時(shí)間在碰撞發(fā)生后0.1 ms時(shí);最大壓力為934 59 N,時(shí)間在碰撞發(fā)生后0.38 ms時(shí)。連接環(huán)承受壓力可能是由于活塞在后退過(guò)程中與連接環(huán)摩擦造成的。

1.3 不同材料變形環(huán)的優(yōu)化選擇

將變形環(huán)的材料分別選定為20#鋼和35#鋼進(jìn)行計(jì)算,得到另外二種材料的制動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)結(jié)果,具體見(jiàn)表2。從表2的對(duì)比中可以看出,與10#鋼和35#鋼相比,變形環(huán)材料采用20#鋼碰撞作用時(shí)間最大,為0.33 ms;活塞移動(dòng)距離最大,為23.97 mm;具有最強(qiáng)的吸收沖擊能量能力,變形環(huán)最后內(nèi)能與系統(tǒng)最后內(nèi)能比率為82%,這樣就使得連接環(huán)Von Mises應(yīng)力最小,系統(tǒng)的軸向拉力最小,為2.31*106N。綜合這些結(jié)果,變形環(huán)材料選擇使用20#鋼。

表2 三種材料的變形環(huán)的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

2 不同材料變形環(huán)的變形吸能試驗(yàn)研究

在變形環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)彈道一定的條件下,對(duì)10#鋼、20#鋼、35#鋼三種材料的變形環(huán)進(jìn)行了實(shí)彈射擊對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)后變形環(huán)變形見(jiàn)圖10,圖中從左至右分別為10#鋼、20#鋼、35#鋼三種不同材料變形環(huán)發(fā)射后的塑性變形吸能情況。

從圖10可知,三種材質(zhì)的變形環(huán)均能有效變形吸能,但10#鋼變形環(huán)口部易出現(xiàn)皺折,20#鋼與35#鋼變形環(huán)變形完好,具有較好的變形吸能效果,但20#鋼活塞的運(yùn)行距離和變形環(huán)的變形長(zhǎng)度稍大于35#鋼,說(shuō)明在該系統(tǒng)條件下20#鋼優(yōu)于35#鋼,這與有限元仿真分析結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

文中采用Ansys/LS-DYNA有限元軟件對(duì)有限空間武器制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件在發(fā)射過(guò)程中不同時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了計(jì)算,

給出了系統(tǒng)的軸向力、位移、速度、能量耗散等物理量的變化過(guò)程,與10#鋼和35#鋼相比,變形環(huán)材料采用20#鋼碰撞作用時(shí)間最大,為0.33 ms;活塞移動(dòng)距離最大,為23.97 mm;具有最強(qiáng)的吸收沖擊能量能力,變形環(huán)最后內(nèi)能與系統(tǒng)最后內(nèi)能比率為82%,這樣就使得連接環(huán)Von Mises應(yīng)力最小,系統(tǒng)的軸向拉力最小,為2.31×106N。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,變形環(huán)材料選擇使用20#鋼。最后對(duì)三種材料制造的變形環(huán)進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果與理論仿真分析結(jié)果一致,表明仿真計(jì)算是正確可行的。

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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

張永剛(1978-),男,湖北襄陽(yáng)人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算研究。