彭松江，陳 亮，何 行，鄒利波

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

火炮坡膛連接藥室和線膛部分，是彈帶切入膛線的過渡區(qū)域，坡膛結構尤其是坡膛坡度對火炮的膛內受力特性、彈道特性至關重要，并且與使用壽命直接相關[1]。某新型高射速艦炮坡膛坡度較小，與傳統(tǒng)火炮差別較大，筆者著重研究小坡度坡膛情況下彈帶擠進過程對膛內運動受力、彈道特性的影響，揭示其對總體性能的綜合貢獻。

1 某艦炮典型坡膛結構現(xiàn)狀

線膛火炮的坡膛錐度一般在1/5～1/10[2-3]，坡度對應為1/10～1/20范圍內，膛線大約由其長度的2/3處開始。確定坡膛坡度時，應考慮身管壽命、火炮威力等因素，坡度大小直接影響擠進受力，對內彈道過程將產生影響[4-6]。

某新型高射速艦炮坡膛坡度較小，僅為1/24.5，突破1/20的范圍，其彈藥采用了凸緣彈帶結構，凸緣彈帶的主要作用是在啟動時，加大彈體的運動強制量，提高其密閉火藥氣體的能力，減少對膛線起始部磨損的敏感性[7]。彈藥合膛局部情況如圖1所示。發(fā)射過程中底火擊發(fā)后，藥筒內發(fā)射藥開始燃燒，壓力增大，彈丸克服拔彈力開始運動；在行進3.4 mm后自由行程結束，彈帶凸緣(82.5mm)接觸坡膛，并產生塑性變形；在火藥氣體作用下，彈丸繼續(xù)前進至44.6 mm，彈帶開始擠入膛線；前進81.6 mm后，第1條彈帶完全擠入線膛；前進125.6 mm后，第2條彈帶完全擠進線膛，擠進過程結束。

坡膛區(qū)段內彈帶擠進過程是內彈道的初始階段，現(xiàn)象非常復雜，涉及彈帶在快速變化的壓力作用下的塑性力學問題，且行程和時間非常短，難以用實驗準確測量，因此該擠進階段在經典內彈道學中進行了簡化處理，并將其用于指導工程實踐[8]。工程上以25～40 MPa擠進壓力作為內彈道的啟動條件，該艦炮的內彈道計算采用擠進壓力為29.4 MPa作為計算的起始條件，簡化了彈丸克服拔彈力后再擠入膛線前這段運動，而隨坡膛結構引起的擠進壓力變化完全無法在經典內彈道計算中細化反映。

2 坡膛坡度對擠進壓力的影響研究

為研究不同坡膛錐度對彈丸擠進受力的影響，采用有限元分析方法對不同坡膛錐度的擠進過程進行仿真分析，在相同的建模、載荷施加、邊界條件和網格屬性條件下，加載相同歷程和規(guī)律的壓力條件，分析對比彈丸在擠進過程的運動、受力特性。

2.1 有限元建模與加載

嚴格按照實物尺寸和對應裝配關系，在Creo軟件中分別建立身管本體及內膛曲線結構、彈丸、彈帶及裝藥的實體模型。采用C3D8R六面體結構化網格單元對模型進行離散化，使用同炮鋼和黃銅材料性能接近的材料[9]分別賦予身管本體和彈帶模型參數(shù)中。劃分好的帶膛線的身管和彈丸的有限元模型如圖2所示。前、后彈帶和裝藥分別與彈體使用綁定(Tie)約束關系，使其固定在彈體上并忽略彈體的重力，身管綁定約束在炮尾上，但彈帶網格同膛線網格緊貼但不共用，通過interface面建立關系，如圖3所示。建立彈炮耦合動力學有限元模型后，加載相同歷程、相同規(guī)律、相同量值的壓力變化條件，利用ABAQUS/Explicit求解。

2.2 計算結果

為了對比不同坡膛錐度條件下，彈帶擠進過程對彈丸彈體的受力影響，不改變藥室結構，將坡膛起始點位置固定，改變坡膛錐度，分別建立不同坡膛錐度的炮身有限元模型進行分析計算。受力仿真計算結果與坡膛坡度、長度的對應關系如表1所示。

表1 前彈帶擠進過程中受力仿真結果

不同坡膛結構下的彈帶擠進過程，彈體受力情況計算結果，如圖4～7所示，因篇幅限制，僅繪制部分典型工況的曲線。

2.3 仿真結果分析

同一計算環(huán)境下，仿真曲線顯示坡膛結構對彈丸運動的阻力均呈現(xiàn)“擠進過程迅速增大、擠進終了迅速減小、線膛區(qū)域趨于平穩(wěn)”的趨勢，對比分析不同坡度條件下的擠進過程受力曲線，運動、受力特性隨著坡膛坡度的減小呈現(xiàn)以下特征：

1)擠進過程最大擠進合力、最大剪切力、最大應力明顯減小，彈體受力減小。

2)擠進行程較長、擠進時間較長，彈帶擠進終了時的彈體運動速度增大。

3)凸緣彈帶接觸坡膛壁時刻大多出現(xiàn)在0.5 ms左右，印證了凸緣彈帶有效提高擠進初期的密閉能力、減小對坡膛變化的敏感性的作用。

3 坡膛坡度對內彈道性能的影響

3.1 擠進過程假設修訂

為了深入研究小坡度坡膛結構對內彈道特性的影響，對經典內彈道學的瞬時擠進等基本假設進行修訂，內彈道求解引入擠進過程，并將內彈道歷程分3個區(qū)段，把拔彈力作為初始啟動條件，將彈帶擠進過程消耗的能量考慮在內進行求解：

1)第1區(qū)段：啟動階段，從彈丸克服拔彈力到彈帶開始接觸坡膛。

2)第2區(qū)段：擠進階段，從彈帶開始接觸坡膛到彈帶完全擠進膛線。

3)第3區(qū)段：線膛運動階段，從彈帶完全擠進膛線到彈丸出炮口。

3.2 擠進過程次要功參數(shù)選取

根據(jù)經典內彈道理論[10]，火藥燃氣對外做功主要包括6個部分：彈丸直線運動功E1，彈丸旋轉運動功E2，彈丸運動摩擦功E3，火藥氣體運動功E4，后坐部分運動功E5和彈帶擠進及彈前空氣運動消耗的能量E6.前5種與彈丸直線運動成一定比例關系，忽略E6，引入次要功系數(shù),也稱虛擬質量系數(shù)φ，即：

φ=1+K2+K3+K4+K5，

(1)

進行內彈道方程組求解，式中K2、K3、K4、K5分別是與E2、E3、E4、E5對應做功系數(shù)[11]。

由于第1區(qū)段彈丸在軸向方向上僅受彈底火藥氣體壓力，沒有旋轉、摩擦和彈帶擠進，次要功系數(shù)φ取1.

第2區(qū)段彈丸受到坡膛結構對彈帶的擠壓阻力，彈帶受到膛線的擠壓作用開始帶動彈體做導轉運動，受力過程極其復雜，在傳統(tǒng)次要功系數(shù)φ取值方法基礎上，對彈丸旋轉運動功系數(shù)K2、彈丸運動摩擦功系數(shù)K3的量值進行系數(shù)修正，將擠進過程損耗的功計算在內。由于第2區(qū)段彈丸受力大于線膛期間的阻力，通過將原計算書的(K2+K3)乘以系數(shù)n，用n(K2+K3)來代替原參數(shù)。在標準坡度為24.56，n值為6.5時，新的內彈道計算的炮口速度和最大膛壓值同實測相符。在坡膛不同的情況下，僅僅受到的擠壓力和摩擦不同的，在標準坡度24.56的取值情況下乘以修訂系數(shù)q，即用(K2+K3)nq進一步來修訂做功系數(shù)(K2+K3)，坡膛1/24.56情況下擠進過程中受到的最大擠進合力為F，某種坡膛下擠進過程中受到的最大擠壓合力為Fn,則q=Fn/F，根據(jù)該方法得到不同坡膛情況下修訂系數(shù)q值，如表2所示。

表2 不同坡膛錐度下的修訂系數(shù)

第3區(qū)段為彈丸完全在膛線內運動階段，采用傳統(tǒng)內彈道方程計算，次要功系數(shù)φ取值方法與傳統(tǒng)方法相同即可。

3.3 內彈道數(shù)值仿真結果與分析

通過表2中的修正值，重新計算不同坡膛情況下(正裝藥)彈丸炮口初速度、最大膛壓值以及對應行程和時刻，如表3所示。

表3 不同坡膛錐度工況下內彈道相關計算結果對比(正裝藥)

同時對比正裝藥條件下的P-t曲線、P-l曲線和v-t曲線，如圖8～10所示。

分析圖8～10的曲線圖，并結合圖4數(shù)據(jù)可以看出：

1)多條壓力曲線變化過程中，在3.8 ms處存在翻轉拐點；當坡膛錐度較小時，擠進阻力較大，擠進速度上升較快、膛壓升高慢，拐點之后彈丸速度上升減緩，最大膛壓出現(xiàn)點和燃燒結束點延后，最大膛壓和炮口初速都相對稍低；反之，當坡膛錐度增大時，由于擠進阻力增大，擠進速度上升較慢、膛壓升高較快，拐點之后彈丸速度上升加快，最大膛壓出現(xiàn)點和燃燒結束點提前，最大膛壓和炮口初速都相對有所提高。

2)相同初始條件下，身管坡膛在坡度1/24.56與1/10條件下相比，最大膛壓降低15%，初速降低3%，最大膛壓出現(xiàn)點后延，身管受力環(huán)境得到改善。

4 結束語

筆者通過修訂系數(shù)的方法將彈帶擠進膛線的過程考慮在內彈道計算過程中，依據(jù)該方法，分析了不同坡膛對內彈道性能的影響，由此說明了某型高射速艦炮采用小坡度結構設計具有合理性。該小坡膛設計在少量降低初速的同時，減小了坡膛擠進合力，降低了最大膛壓，有利于減小坡膛磨損、改善彈炮受力狀態(tài)，是提高身管壽命的重要技術途徑。