梁 林， 龐博升

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所, 河南 鄭州 450015； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院， 陜西 西安 710072)

為了適應(yīng)現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的需求， 艦炮武器的系統(tǒng)必須具備快速射擊的能力. 在其快速射擊過程中， 伴隨著高溫、 高壓、 高速火藥氣體反復(fù)作用， 每發(fā)射一發(fā)彈丸， 身管內(nèi)膛就承受一次熱冷循環(huán)和應(yīng)力循環(huán)作用， 在射擊一定數(shù)量的彈丸以后， 身管內(nèi)膛表面就會產(chǎn)生大量的網(wǎng)狀裂紋， 隨著射彈數(shù)的增加， 裂紋沿身管壁不斷生長， 當(dāng)超過一定循環(huán)次數(shù)后， 身管往往會在無先兆的情況下突然發(fā)生疲勞斷裂， 從而造成嚴(yán)重事故， 如膛炸. 影響內(nèi)膛破壞的因素是多方面的， 主要包括熱燒蝕效應(yīng)、 化學(xué)效應(yīng)和機(jī)械磨損效應(yīng)等三個方面. 機(jī)械磨損效應(yīng)對火炮內(nèi)膛的破壞作用具體表現(xiàn)在火藥燃?xì)饬鞯臋C(jī)械沖刷和彈丸對火炮內(nèi)膛表面的摩擦作用.

火炮裝備部隊(duì)以后， 隨著服役時間的增長， 累積射彈發(fā)數(shù)逐漸增加， 火炮內(nèi)膛氣流的沖刷和彈帶、 彈體對炮膛的機(jī)械作用， 嚴(yán)重影響身管壽命. 文獻(xiàn)[1]通過建立彈帶擠進(jìn)坡膛的有限元模型， 研究了彈丸動態(tài)擠進(jìn)阻力和彈丸運(yùn)動規(guī)律的研究， 但未深入到坡膛受力的研究. 文獻(xiàn)[2]考慮彈炮熱力耦合的有限元模型， 并計(jì)及了撥彈力， 研究了影響彈帶擠進(jìn)過程和隨后內(nèi)彈道過程的因素， 但沒有考慮坡膛結(jié)構(gòu)變化的影響. 文獻(xiàn)[3-4]通過數(shù)值計(jì)算研究了坡膛結(jié)構(gòu)變化對彈丸擠進(jìn)力、 內(nèi)彈道變化和坡膛受力的影響， 并未研究彈丸連續(xù)擠進(jìn)對坡膛受力的影響. 文獻(xiàn)[5-6]通過建立有限元模型， 研究了槍械射擊過程中， 不同坡膛角對擠進(jìn)過程坡膛處受力規(guī)律， 并獲得了滿足彈頭初始條件的坡膛角度取值. 同樣， 文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)、 理論和建立彈頭擠進(jìn)過程的有限元模型， 研究了多組坡膛錐角與擠進(jìn)力間的關(guān)系， 并揭示了狙擊步槍擠進(jìn)力的形成機(jī)理， 取得了較好的研究成果， 但未研究連續(xù)擠進(jìn)對坡膛受力的影響規(guī)律.

上述文獻(xiàn)主要針對單發(fā)彈丸擠進(jìn)坡膛進(jìn)行研究， 對彈丸連續(xù)擠進(jìn)坡膛的研究相對較少. 一般情況下， 在沿身管長度上， 膛線起始部位的炮膛磨損最嚴(yán)重， 因此， 本文從兩方面展開研究： ① 同一種坡膛結(jié)構(gòu)下， 彈丸連續(xù)沖擊坡膛， 膛線起始部位坡膛的受力規(guī)律； ② 不同坡膛結(jié)構(gòu)下， 彈丸連續(xù)擠進(jìn)坡膛， 膛線起始部位坡膛的受力規(guī)律. 在不考慮火藥氣體壓力和身管內(nèi)膛冷熱循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力的情況下， 單純研究彈丸沖擊坡膛時坡膛受力的規(guī)律， 對于研究身管壽命具有重要的意義.

1 彈炮耦合動力學(xué)有限元模型

1.1 有限元模型

以某型號火炮坡膛為研究對象， 使用前處理軟件對身管坡膛， 坡膛起始處膛線和彈帶進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 并采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元， 其中彈帶、 身管坡膛和坡膛起始處膛線采用細(xì)化網(wǎng)格.

有限元模型中， 截去身管前段， 以等效質(zhì)量代替. 彈帶與彈體采用綁定約束， 彈丸定心部與陽線、 裝藥與彈體內(nèi)部采用面與面接觸， 彈帶與膛線以及坡膛表面接觸是通過修改inp文件形式來實(shí)現(xiàn)侵蝕面接觸.

圖 1 為帶膛線的身管有限元網(wǎng)格模型， 圖 2 為彈炮耦合有限元模型.

模型僅限于彈丸擠進(jìn)坡膛過程中坡膛受力規(guī)律的研究， 不考慮彈后氣體壓力和溫度變化對坡膛受力的影響.

圖 1 坡膛有限元網(wǎng)格模型Fig.1 Finite element model of bore

圖 2 彈炮耦合有限元模型Fig.2 Finite element model of projectile-barrel

1.2 材料模型

彈帶材料為黃銅， 身管材料為炮鋼. 彈丸在擠進(jìn)過程中經(jīng)歷彈塑性變形及損傷， 最終發(fā)生局部化韌性斷裂， 涉及到彈帶材料的應(yīng)變硬化、 應(yīng)變率硬化和溫度軟化， 故采用Johnson-Cook塑性及其斷裂失效模型. 身管由于承受火藥氣體和彈帶的連續(xù)瞬時沖擊， 采用Johnson-Cook塑性本構(gòu)模型.

1.3 載荷與邊界條件

重力載荷作為常力加載， 由于本文研究的是簡化模型， 故只約束身管尾端面3個方向自由度， 按試驗(yàn)獲得的彈底壓力-時間曲線將壓力施加在彈丸底部的作用面上， 來模擬火藥氣體對彈丸的作用.

在有限元軟件中， 利用重啟動方法， 首先計(jì)算第一發(fā)彈丸擠進(jìn)， 得到重啟動相關(guān)文件， 第二發(fā)彈丸擠進(jìn)時， 采用第一發(fā)彈丸擠進(jìn)后的身管網(wǎng)格模型， 將此時第一發(fā)彈丸擠進(jìn)后得到的應(yīng)力、 應(yīng)變、 變形和材料硬化作為第二發(fā)彈丸擠進(jìn)時的初始條件.

2 彈丸連續(xù)擠進(jìn)數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算工況

本文按以下3種工況計(jì)算彈丸連續(xù)擠進(jìn)坡膛時坡膛的受力規(guī)律：

1) 坡膛長度為32.5 mm;

2) 坡膛長度為80 mm；

3) 坡膛長度為97.5 mm.

3種工況除了坡膛結(jié)構(gòu)不同， 其余彈帶、 彈丸幾何尺寸和網(wǎng)格等都保持一致.

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

以坡膛長度為80 mm的工況為例， 連續(xù)射擊5發(fā)彈丸的情況下， 進(jìn)行身管坡膛處受力情況的研究. 火炮在實(shí)彈射擊過程中， 一般情況下膛線起始部破壞速度最快， 磨損最嚴(yán)重， 稱為最大磨損段[9]. 因此， 本文利用有限元模型來研究膛線起始部位應(yīng)變隨射彈數(shù)變化的情況， 如圖 3 所示. 由圖 3(a) 可以看到， 第1發(fā)彈丸擠進(jìn)坡膛時， 陽線起始處應(yīng)力約為 336.5 MPa， 第2發(fā)彈丸擠進(jìn)后， 此處的應(yīng)力上升到約368.6 MPa， 與擠進(jìn)第1發(fā)相比， 應(yīng)力增加了32.1 MPa； 第3發(fā)彈丸擠進(jìn)坡膛時， 膛線起始部位應(yīng)力約為418.5 MPa； 應(yīng)力增加了 49.4 MPa； 第4發(fā)彈丸擠進(jìn)坡膛時， 膛線起始部位應(yīng)力約為 446.1 MPa； 應(yīng)力增加了27.6 MPa； 第5發(fā)彈丸擠進(jìn)坡膛時， 膛線起始部位應(yīng)力約為470.4 MPa； 應(yīng)力增加了24.3 MPa， 經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)， 身管在連續(xù)射彈情況下， 彈丸沖擊坡膛產(chǎn)生的應(yīng)力， 由于第1發(fā)擠進(jìn)后， 身管材料的硬化效應(yīng)， 使得后續(xù)射彈造成坡膛應(yīng)力增加幅度逐漸減小.

圖 3 彈丸擠進(jìn)時刻應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram during engraving

身管內(nèi)壁面應(yīng)變變化一般與身管損傷有直接關(guān)系， 因此， 提取坡膛起始處單元動態(tài)應(yīng)變曲線， 如圖 4 所示. 由于坡膛前端有一段為圓柱部， 彈帶未開始擠進(jìn)坡膛， 故此時的應(yīng)變幾乎為0. 從圖中可以看出， 在時間約為1.5 ms時第1發(fā)彈丸彈帶開始擠壓坡膛， 此時坡膛受到壓力作用， 故真實(shí)應(yīng)變數(shù)值大于零. 第2發(fā)彈丸擠進(jìn)時， 由于第1發(fā)擠進(jìn)后殘留的應(yīng)力應(yīng)變， 第2發(fā)產(chǎn)生的應(yīng)變會在第一發(fā)的基礎(chǔ)上累積.

圖 4 連續(xù)擠進(jìn)時坡膛起始處應(yīng)變Fig.4 Strain of initial part in bore during engraving

3 坡膛結(jié)構(gòu)變化的影響

坡膛結(jié)構(gòu)的不同， 對火炮內(nèi)彈道性能的影響較大. 彈丸連續(xù)射擊時， 坡膛結(jié)構(gòu)的變化影響彈丸擠進(jìn)的過程， 進(jìn)而影響坡膛受力.

文獻(xiàn)[2]指出較短的坡膛滿足了大口徑火炮較高膛壓和較低初速的需求， 但使身管內(nèi)壁處于較為惡劣的受力狀態(tài)， 容易導(dǎo)致內(nèi)膛淺表裂紋的產(chǎn)生， 影響了火炮的安全性能.

表 1 所示為3種工況下， 彈丸擠進(jìn)坡膛時， 坡膛起始部單元的應(yīng)力值， 可以看出， 相對較短的坡膛， 應(yīng)力值較大， 相對較長的坡膛， 應(yīng)力值較小. 由彈丸沖擊坡膛的物理現(xiàn)象可以知道， 對于較短的坡膛， 單位長度上彈帶變形量大， 同時彈丸運(yùn)動速度較小， 導(dǎo)致坡膛起始部較大的應(yīng)力； 對于較長的坡膛， 單位長度上彈帶變形量小， 彈丸在火藥氣體的持續(xù)作用下擠進(jìn)速度較大， 彈帶粘塑性變形較快， 擠進(jìn)處坡膛應(yīng)力較小， 彈丸更容易擠進(jìn)， 這也符合文獻(xiàn)[10-11]關(guān)于彈帶擠進(jìn)膛線的受力分析結(jié)論.

由圖 5 可以看出， 當(dāng)?shù)?發(fā)彈丸擠進(jìn)相對較短的坡膛后， 在t=0.4 ms左右， 工況1彈帶開始擠進(jìn)坡膛，t=0.8 ms左右， 工況2彈帶開始擠進(jìn)坡膛，t=0.85 ms 左右， 工況3彈帶開始擠進(jìn)坡膛. 3種工況下， 初始應(yīng)變依次變小， 分別為 2.36×10-4, 2.27×10-4和2.23×10-4； 圖 6 和圖 7 為第2和3發(fā)彈丸沖擊坡膛時， 膛線起始部單元應(yīng)變的絕對值， 可以看出， 隨著坡膛長度變長， 彈丸擠進(jìn)坡膛時間逐漸后移， 坡膛擠進(jìn)初始部位應(yīng)變變小.

圖 5 第1發(fā)彈丸擠進(jìn)時坡膛應(yīng)變Fig.5 Strain of bore during the first engraving

圖 6 第2發(fā)彈丸擠進(jìn)時坡膛應(yīng)變Fig.6 Strain of bore during the second engraving

圖 7 第3發(fā)彈丸擠進(jìn)時坡膛應(yīng)變Fig.7 Strain of bore during the third engraving

4 測試試驗(yàn)

由于仿真計(jì)算的3種坡膛長度工況在實(shí)際試驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)， 為了驗(yàn)證仿真所得受力規(guī)律的正確性， 本文利用DRC276數(shù)據(jù)記錄儀對坡膛長度分別為80, 85和90 mm的現(xiàn)有某型火炮內(nèi)彈道過程中彈藥的受力參數(shù)進(jìn)行了測試， 提取了彈帶擠進(jìn)過程的軸向加速度曲線， 如圖 8 所示.

圖 8 彈帶擠進(jìn)3種坡膛時彈丸加速度曲線Fig.8 Acceleration curve of projectile in three bore

由圖 8 可知， 隨著坡膛長度變長， 彈帶擠進(jìn)時刻發(fā)生后移， 且曲線有變緩趨勢， 加速度衰減值逐漸減小， 分別為Δx1=1 416 g, Δx2=836 g, Δx3=622 g. 說明隨著坡膛長度變長， 擠進(jìn)阻力逐漸減小， 試驗(yàn)與仿真結(jié)論一致， 也間接證明了仿真方法的正確性.

5 結(jié) 論

通過建立彈炮耦合的有限元模型， 在考慮粘塑性及韌性損傷耦合效應(yīng)的彈帶本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上， 對彈丸連續(xù)擠進(jìn)坡膛及連續(xù)擠進(jìn)不同結(jié)構(gòu)的坡膛的受力規(guī)律及對內(nèi)彈道性能影響進(jìn)行了研究， 通過分析可以得到以下結(jié)論：

1) 同一種坡膛結(jié)構(gòu)， 對于高射速火炮， 坡膛在彈丸的連續(xù)擠進(jìn)作用下， 坡膛的應(yīng)力和應(yīng)變存在累積效應(yīng). 相對射速較慢的火炮， 高射速火炮會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的身管坡膛磨損；

2) 在不同坡膛結(jié)構(gòu)下， 較短的坡膛由于具有相對較小的擠進(jìn)速度和較為劇烈的變形過程， 坡膛擠進(jìn)處的應(yīng)力較大； 對于較長的坡膛， 彈丸沖擊坡膛起始部產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變隨著坡膛長度的增大而減小， 同時擠進(jìn)阻力也會逐漸減小， 彈丸更容易擠進(jìn)， 有利于減小坡膛磨損和提高身管壽命.

仿真研究所得出的結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)論與真實(shí)的物理現(xiàn)象是一致的， 證明了該方法的正確性. 上述研究工作僅探討了彈丸沖擊坡膛時， 坡膛受力規(guī)律， 為考慮火藥氣體和溫度對坡膛的影響， 進(jìn)一步可研究火藥氣體和溫度以及彈丸沖擊坡膛的耦合情況下， 坡膛受力的規(guī)律.

參考文獻(xiàn)：

[1] 高原, 賀志勇, 趙晉香, 等. 20CrV鋼機(jī)用鋸條齒部表面強(qiáng)化組織的研究[J]. 材料科學(xué)與工藝, 1995, 3(3)： 62-66.

Gao Yuan, He Zhiyong, Zhao Jinxiang, et al. Microstructure in the surface hardened layer of power hacksaw blade made of steel 20CrV[J]. Material Science & Technology, 1995, 3(3)： 62-66.(in Chinese)

[2] 孫全兆, 楊國來. 某大口徑榴彈炮彈帶擠進(jìn)過程數(shù)值模擬研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2015， 36(2)： 206-213.

Sun Quanzhao, Yang Guolai. Numerical research on rotating bang engraving process of a large-caliber howitzer[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(2)： 206-213. (in Chinese)

[3] 丁傳俊, 張相炎. 基于熱力耦合有限元的彈帶擠進(jìn)過程及內(nèi)彈道過程的仿真研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2015, 36(12)： 2255-2267.

Ding Chuanjun, Zhang Xiangyan. Simulation study of bearing band ecgraving process and interior ballistic process based on thermo-mechanical couping FEA model[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(12)： 2255-2267. (in Chinese)

[4] 孫河樣, 馬吉勝, 李偉, 等. 坡膛結(jié)構(gòu)變化對火炮內(nèi)彈道性能影響的研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2012, 33(6): 670-677.

Sun Heyang, Ma Jisheng, Li Wei, et al. Study on influence of bore structure on gun’ interior ballistic performances[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(6): 670-677. (in Chinese)

[5] 孫河樣, 馬吉勝, 李偉, 等. 坡膛結(jié)構(gòu)變化對彈帶擠進(jìn)過程的影響[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(3): 31-53.

Sun Heyang, Ma Jisheng, Li Wei, et al. Influence for different bore structures on engraving process on projectile[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(3): 31-53. (in Chinese)

[6] 李淼, 錢林方, 孫河樣. 某大口徑彈帶熱力耦合擠進(jìn)動力學(xué)數(shù)值模擬研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2016, 37(10): 1804-1813.

Li Miao, Qian Linfang, Sun Heyang. Research on coupled thermo-mechanical model during rotating band engraving process[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(10): 1804-1813. (in Chinese)

[7] 陸野, 周克棟. 坡膛結(jié)構(gòu)參數(shù)對槍械內(nèi)彈道擠進(jìn)時期的影響研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2015, 36(7): 1364-1371.

Lu Ye, Zhou Kedong. Influence of structure parameters of forcing cone on small arms interior ballistics during engraving[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(7): 1364-1371. (in Chinese)

[8] 劉國慶, 徐誠. 狙擊步槍彈準(zhǔn)靜態(tài)彈頭擠進(jìn)力研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2014, 35(10): 1529-1537.

Liu Guoqing, Xu Cheng. Research on quasi-static engraving force of sniper firle bullet[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(10): 1529-1537. (in Chinese)

[9] 曾志銀, 高小科. 炮鋼材料動態(tài)本構(gòu)模型及其驗(yàn)證[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2015, 36(11): 2038-2044.

Zeng Zhiyin, Gao Xiaoke. Dynamic constitute model of gun steel material and its verification[J]. Acta Armamenttaria, 2015, 36(11): 2038-2044. (in Chinese)

[10] 張喜發(fā), 盧興華. 火炮燒蝕內(nèi)彈道學(xué)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2001.

[11] 丘爾巴諾夫 E B. 擠進(jìn)時期內(nèi)彈道學(xué)與擠進(jìn)壓力計(jì)算[M]. 楊敬榮, 譯. 北京： 國防工業(yè)出版社, 1997．