劉晨陽(yáng)，韓璇璇，孫玉杰

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

火炮反應(yīng)速度快,持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng),是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的重要武器裝備[1]。戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的深刻變革,使得火炮的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用方式也發(fā)生重大改變。某型火炮采用后裝填方式發(fā)射迫彈類彈藥,其輸彈機(jī)輸彈入膛后,迫彈在大射角(>45°)的情況下依靠自身重力實(shí)現(xiàn)膛內(nèi)定位,但身管處于負(fù)角度時(shí),迫彈容易前竄甚至滑落從而導(dǎo)致不能穩(wěn)定擊發(fā),不滿足身管負(fù)角度時(shí)可靠射擊的要求,因此保證迫彈在身管膛內(nèi)的可靠定位是該型火炮能否負(fù)角射擊的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的迫彈膛內(nèi)定位裝置[2]是針對(duì)普通迫彈設(shè)計(jì)的,相比普通迫彈,該型火炮發(fā)射的某新型迫彈質(zhì)量更大、彈體更長(zhǎng),且尾翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則?，F(xiàn)有迫彈膛內(nèi)定位裝置通過(guò)靜力加載的方式校驗(yàn)其中關(guān)鍵零件定位夾的剛強(qiáng)度,這與定位裝置受瞬時(shí)沖擊載荷的實(shí)際工況相差甚遠(yuǎn)。因此筆者針對(duì)新型迫彈設(shè)計(jì)了相應(yīng)的膛內(nèi)定位裝置,對(duì)其中關(guān)鍵零件定位夾進(jìn)行全工作流程的動(dòng)態(tài)仿真分析,為定位夾乃至膛內(nèi)定位裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù),以滿足該型火炮負(fù)角射擊的使用要求。

1 某新型迫彈膛內(nèi)定位裝置的設(shè)計(jì)

該新型迫彈膛內(nèi)定位裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該迫彈膛內(nèi)定位裝置主要由金屬短藥筒和定位夾組成,通過(guò)定位夾保證短藥筒與迫彈的可靠連接,定位夾與短藥筒則通過(guò)螺環(huán)以卡槽形式連接,考慮到該新型迫彈尾翼結(jié)構(gòu)的特殊性,在其同一朝向均布的3片尾翼上布置定位夾。其工作原理如下:彈藥發(fā)射前,完成迫彈與定位裝置的連接;裝填彈藥時(shí),定位元件與迫彈一起沿身管軸向推進(jìn),當(dāng)短藥筒底緣抵住炮尾端面后迫彈運(yùn)動(dòng)停止。擊發(fā)后迫彈在膛壓作用下向前沖擊定位夾,定位夾受剪破壞,迫彈與短藥筒連接斷開(kāi)繼續(xù)向前推進(jìn)。發(fā)射后,定位夾與短藥筒一并被抽出。

考慮迫彈發(fā)射全過(guò)程,能否實(shí)現(xiàn)身管負(fù)角度下的膛內(nèi)可靠定位主要取決于其中關(guān)鍵零件定位夾的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì),較小的剛強(qiáng)度不足以抵抗輸彈到位后的迫彈慣性力沖擊,導(dǎo)致定位夾破壞,迫彈前竄甚至滑落;較大的剛強(qiáng)度則妨礙了迫彈的正常推進(jìn),因此對(duì)于定位夾的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求[3]:

1)定位夾與迫彈尾翼搭接部位的強(qiáng)度應(yīng)保證輸彈到位后,在迫彈慣性力的沖擊作用下不被剪斷。

2)發(fā)射過(guò)程中,定位夾能被可靠剪斷,且其剪斷力基本一致。

3)定位夾在被迫彈尾翼剪切過(guò)程中不應(yīng)“掉渣”,以免影響下一發(fā)彈藥裝填。

根據(jù)尾翼外形、定位裝置輕量化設(shè)計(jì)要求并兼顧連接的便捷性,設(shè)計(jì)定位夾具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中定位夾前端夾持面寬度略大于迫彈尾翼寬度,同時(shí)為了保證剪斷的一致性,在定位夾前端面開(kāi)預(yù)制剪切槽,保證其在預(yù)定位置可靠斷裂。

對(duì)于圖2所示的定位夾,其剛強(qiáng)度主要取決于材料的選取以及預(yù)制剪切槽的深度。考慮定位夾實(shí)際工作情況,無(wú)論是輸彈到位后的彈藥慣性力沖擊還是發(fā)射時(shí)彈藥在膛壓作用下的剪切沖擊,都是瞬時(shí)沖擊作用。瞬時(shí)高應(yīng)力作用下,金屬材料高密度的位錯(cuò)源同時(shí)開(kāi)動(dòng),從而導(dǎo)致滑移不充分、不均勻,限制了其塑性變形的發(fā)展,即材料變脆[4-5]。即金屬材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為與其在靜載荷作用下的力學(xué)特性有很大的不同。

筆者基于ABAQUS分析軟件,建立不同材料、不同剪切槽深度的定位夾在彈藥發(fā)射全流程中的有限元模型,分析其在沖擊載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變以及剪切破壞情況,為定位夾的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 定位夾材料本構(gòu)模型

初步預(yù)估定位夾所受沖擊載荷大小,考慮常見(jiàn)金屬材料的剛度、強(qiáng)度、沖擊韌性以及經(jīng)濟(jì)性,選用定位夾材料種類及其基本參數(shù)如表1所示。

表1 定位夾材料基本參數(shù)

金屬材料的彈性階段滿足線性關(guān)系,即

σ=Eε0,

(1)

式中:σ為應(yīng)力;E為彈性模量;ε0為應(yīng)變。

對(duì)于材料的屈服階段,Johnson-Cook模型將應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度3個(gè)變量進(jìn)行分離,用乘積關(guān)系來(lái)處理三者對(duì)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的影響,其屈服應(yīng)力表示為

(2)

(3)

當(dāng)滿足下列條件時(shí),損傷初始化準(zhǔn)則得以滿足:

(4)

即當(dāng)塑形應(yīng)變?cè)黾又马g性準(zhǔn)則所確定的值時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)損傷。

對(duì)于損傷演化過(guò)程,利用累計(jì)損傷來(lái)定義材料的破壞,應(yīng)力在損傷度達(dá)到臨界值時(shí)取零值,其損傷度定義為

(5)

式中:D的取值在0～1之間,初始未損傷時(shí)D=0,當(dāng)D=1時(shí)材料失效;Δεp為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的等效塑性應(yīng)變?cè)隽?εf為當(dāng)前時(shí)刻的破壞應(yīng)變,其定義為

(6)

式中,D1～D5為材料失效參數(shù)。

對(duì)于本模型,不考慮溫度對(duì)材料特性的影響,參考查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14-16],不同材料在ABAQUS/Explicit中Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)以及材料失效參數(shù)如表2、3所示。

表2 Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)

表3 Johnson-Cook失效參數(shù)

3 有限元分析模型

為了簡(jiǎn)化模型、降低計(jì)算難度,筆者將定位夾與短藥筒之間的連接視為剛性連接,在建立模型時(shí)只對(duì)定位夾尾端面進(jìn)行約束,限制其軸向位移;且由于該新型迫彈尾翼采用高強(qiáng)度合金材料,屈服強(qiáng)度高,不易發(fā)生變形或者損壞,因此將其視為剛體?？紤]到3個(gè)定位夾120°與迫彈尾翼均布裝配,為了減小計(jì)算規(guī)模故選取三分之一模型進(jìn)行計(jì)算。為了保證收斂和計(jì)算精度,對(duì)定位夾前端面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密與優(yōu)化。

考慮到定位夾板厚以及加工工藝性因素,定位夾前端面預(yù)制開(kāi)槽深度可初步設(shè)為1 mm與0.5 mm,即筆者對(duì)3種材料2種開(kāi)槽深度的定位夾受沖擊作用進(jìn)行分析,其典型有限元模型如圖3所示。

4 輸彈到位后慣性力沖擊作用分析

對(duì)于該型火炮,輸彈一開(kāi)始迫彈即作直線加速運(yùn)動(dòng),輸彈到位后迫彈達(dá)到最高速度約1.5 m/s?？紤]定位夾強(qiáng)度設(shè)計(jì)裕度,在有限元分析中通過(guò)預(yù)定義場(chǎng)對(duì)迫彈施加2 m/s速度載荷,考慮到身管負(fù)角度工況,并對(duì)迫彈施加重力場(chǎng)作用。迫彈輸彈到位與發(fā)射的時(shí)間間隔一般有數(shù)秒乃至數(shù)十秒,迫彈慣性力沖擊作用時(shí)間極短,經(jīng)模型迭代驗(yàn)證,將分析步時(shí)長(zhǎng)設(shè)為8 ms可滿足分析要求。

利用ABAQUS進(jìn)行仿真,輸彈到位后,不同材料的定位夾預(yù)制開(kāi)槽深度1 mm,在迫彈慣性力沖擊作用下的應(yīng)力云圖如圖4所示,其中20鋼定位夾在輸彈到位后迫彈慣性力沖擊下已產(chǎn)生較大的裂縫;25鋼定位夾變形程度較小,結(jié)構(gòu)基本完整;35鋼定位夾變形程度極小,即預(yù)制開(kāi)槽深度為1 mm時(shí),25鋼和35鋼定位夾可保證迫彈的膛內(nèi)定位。

不同材料的定位夾預(yù)制開(kāi)槽深度0.5 mm,在迫彈慣性力沖擊作用下的ABAQUS仿真應(yīng)力云圖如圖5所示,其中20鋼、25鋼定位夾在輸彈過(guò)程中已發(fā)生斷裂損壞,僅35鋼定位夾變形較小可保證迫彈的膛內(nèi)定位。

由上述結(jié)果可知,不同材料、不同開(kāi)槽深度對(duì)定位夾的剛強(qiáng)度有決定性的影響。20鋼由于屈服強(qiáng)度較低,難以抵抗輸彈完成后的慣性力沖擊作用,而35鋼較高的屈服強(qiáng)度使其在較大的開(kāi)槽深度(1 mm)時(shí)仍能保證迫彈的膛內(nèi)定位。一般地,開(kāi)槽深度越大,定位夾對(duì)迫彈發(fā)射時(shí)內(nèi)彈道性能的影響越小,因此選取預(yù)制開(kāi)槽深度0.5 mm的25鋼定位夾(以下簡(jiǎn)稱為定位夾A)與預(yù)制開(kāi)槽深度1 mm的35鋼定位夾(以下簡(jiǎn)稱為定位夾B)進(jìn)一步分析。

圖6所示為選用定位夾A、B輸彈到位后迫彈速度曲線和位移曲線。輸彈到位后迫彈在慣性力作用下繼續(xù)前沖,在定位夾的阻攔下速度由2 m/s降為0 m/s,此時(shí)迫彈位移達(dá)到最大值,也即為定位夾最大變形長(zhǎng)度,定位夾與迫彈尾翼接觸的前端面消耗了絕大多數(shù)的沖擊能量,自身發(fā)生彈塑性變形,塑性變形量最大,除變形量最大前端面外,定位夾兩夾持面折彎處也產(chǎn)生較大的拉伸變形,且折彎角度越大拉伸變形量越大。但定位夾A、B前端面結(jié)構(gòu)保持完整,即在迫彈慣性力的沖擊作用下未被剪斷。該過(guò)程中也有少部分能量轉(zhuǎn)化為迫彈反方向回彈的動(dòng)能,迫彈反彈速度達(dá)到最大值后在重力作用下開(kāi)始減小。

對(duì)比定位夾A,選用定位夾B時(shí)迫彈速度降為0 m/s的時(shí)間更短,且迫彈向前擠進(jìn)的位移也較小;但由于35鋼材料屈服強(qiáng)度更高,不易發(fā)生塑性變形,較多的沖擊能量轉(zhuǎn)化為迫彈反方向回彈動(dòng)能。

定位夾A、B前端面在不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖如圖7所示。在迫彈慣性力沖擊作用下,定位夾向內(nèi)收窄,整體上被拉長(zhǎng),其中定位夾A被拉長(zhǎng)2.24 mm,定位夾B被拉長(zhǎng)1.87 mm;預(yù)制開(kāi)槽處應(yīng)力集中,定位夾B較A變形程度較低,無(wú)論是定位夾A還是定位夾B,在塑性變形后結(jié)構(gòu)完整,仍能保證迫彈膛內(nèi)可靠定位。

5 發(fā)射時(shí)彈藥瞬時(shí)剪切力作用分析

如前文所述,輸彈到位后定位夾在迫彈慣性力作用下已發(fā)生彈塑性變形,發(fā)射時(shí)迫彈在膛壓作用下繼續(xù)向前推進(jìn),定位夾受剪破壞。對(duì)于迫彈發(fā)射過(guò)程的仿真分析,定位夾為塑性變形后的狀態(tài),迫彈在重力作用下回復(fù)到定位夾最大塑性變形處,速度為0;定位夾邊界條件不變,對(duì)迫彈施加如圖8所示的膛壓載荷,該型火炮迫彈發(fā)射在數(shù)毫秒內(nèi)完成,因此將該分析步時(shí)長(zhǎng)設(shè)為2 ms。無(wú)膛內(nèi)定位裝置與分別使用定位夾A、B的膛內(nèi)定位裝置的迫彈在膛壓作用下的速度曲線如圖9所示。

發(fā)射藥引燃后,迫彈在膛壓作用下開(kāi)始前沖,定位夾受沖開(kāi)始斷裂。對(duì)于定位夾A,其迫彈速度與無(wú)定位夾結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有差別;對(duì)于定位夾B,其迫彈速度相比無(wú)定位夾時(shí)有所降低,但差值較小,最大速度差約1.5 m/s。相比于定位夾B,定位夾A對(duì)迫彈內(nèi)彈道特性的影響更小,更能滿足設(shè)計(jì)要求。

發(fā)射時(shí),在迫彈沖擊下,1.53 ms時(shí)定位夾A完全斷裂,1.86 ms時(shí)定位夾B完全斷裂,其斷裂后具體形態(tài)如圖10所示,斷裂過(guò)程中定位夾A、B均呈撕裂狀態(tài),無(wú)掉渣現(xiàn)象。

定位夾整體結(jié)構(gòu)呈前端窄、后端寬,在前端面斷裂后,定位夾向兩邊張開(kāi),且該型迫彈尾翼強(qiáng)度高,因此在迫彈向前推進(jìn)時(shí)定位夾斷裂缺口不會(huì)對(duì)尾翼造成影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同材料、不同開(kāi)槽深度的定位夾在迫彈發(fā)射全工作流程中的兩種工況的有限元仿真分析可得,不同材料、不同開(kāi)槽深度對(duì)定位夾剛強(qiáng)度有決定性影響;預(yù)制開(kāi)槽深度0.5 mm的25鋼定位夾、預(yù)制開(kāi)槽深度1 mm的35鋼定位夾在迫彈輸彈到位后結(jié)構(gòu)完整,且斷裂后不掉渣,都能保證迫彈膛內(nèi)可靠定位。但預(yù)制開(kāi)槽深度0.5 mm的25鋼定位夾對(duì)迫彈內(nèi)彈道性能影響更小,同時(shí)考慮工藝性的影響,選用25鋼材料、開(kāi)槽深度為0.5 mm的定位夾更能滿足設(shè)計(jì)要求。