舰炮抽壳机构抽壳过程仿真分析

谭 波，侯 健，可学为，刘慧敏

(海军工程大学 兵器工程系，湖北 武汉 430033)

舰炮抽壳机构抽壳过程仿真分析

谭 波，侯 健，可学为，刘慧敏

(海军工程大学 兵器工程系，湖北 武汉 430033)

针对舰炮抽壳机构的结构特点，建立了抽壳机构的有限元动力学仿真模型；得到了抽壳力随时间的变化曲线和药筒速度随时间的变化曲线；分析了抽筒模板位置变化对药筒速度的影响。分析结果表明，随着抽筒模板的下移，药筒速度会逐渐减小，下移幅度小于3 mm时，药筒速度减小的幅度不大，不会影响抽壳效果；下移幅度大于3 mm时，药筒速度大幅度减小，严重影响抽壳质量甚至无法抽出药筒；抽筒左右位置的的变化对药筒的速度影响较小，不会影响抽壳质量。

舰炮；抽壳机构；抽壳力；仿真

抽壳机构是舰炮炮闩系统的重要构件之一，其主要作用是抽出发射后留在炮膛内的药筒。抽壳机构工作状况的好坏直接影响着抽壳过程及后续的炮弹进膛。

由于抽壳过程是一个包含弹塑性变形、接触、摩擦等复杂因素的瞬态动力学过程，各个零件的相互作用非常复杂，建立力学模型非常困难[1]。在抽壳过程及抽壳力的研究方面，文献[2]考虑了膛线的作用，对药筒发射应力和抽壳力进行了研究;并对开闩时间、药筒与身管之间的初始间隙对抽壳力的影响进行了理论分析。文献[3]对自动武器的抽壳过程及抽壳力进行了仿真计算；并对影响抽壳力的因素进行了分析。文献[4]借助于多体动力学分析软件对某自动武器的弹性抛壳过程进行了仿真分析。文献[5]基于柔体动力学方法对某炮闩抽壳过程进行了研究，分析了抽筒子重要区域的受力变形情况。文献[6]基于文献[5]的仿真结果，建立了抽筒子在危险工况下的等效有限元模型，对抽筒子进行了拓扑优化和形状优化。

总的来说，对抽壳过程的研究主要集中在抽壳力方面，对相关参数对抽壳后药筒速度的影响研究较少。

笔者以舰炮的抽壳机构为工程实例，运用非线性有限元方法对该机构的抽壳过程进行了仿真，得到了抽壳力及药筒速度的变化规律，讨论了抽壳模板位置对抽壳后药筒速度的影响。

1 抽壳机构工作原理

抽壳机构主要由抽筒子、摇臂、抽筒模板、身管及药筒组成，抽筒子与摇臂通过轴安装在炮尾上，抽筒模板固定在炮架上。抽筒子上端与药筒底缘接触，下端与摇臂上端接触；摇臂下端可与抽筒模板接触。其结构简图如图1所示。

抽壳机构工作之前，火药在炮膛内爆炸形成瞬时的高温和高压(最大压力可达430 MPa)，弹头沿身管向前运动，同时药筒径向膨胀并产生塑性变形，紧贴于身管内壁。

舰炮快要复进到位时，抽壳机构开始工作。抽壳机构的摇臂与安装在炮架上的抽筒模板发生碰撞，摇臂在抽筒模板的作用下逆时针旋转，摇臂的上端与抽筒子的下端发生碰撞，抽筒子顺时针旋转。抽筒子上端与药筒底缘相接触，药筒在抽筒子的作用下从炮膛内抽出，并以一定的速度向后运动，进入排壳装置排出。

2 计算模型

分析之前，作如下假设：

1)身管简化为厚壁圆筒。

2)除药筒外，在分析过程中不考虑其他部件的塑性变形。

有限元模型如图2所示。

各部件的材料性能如表1所示，药筒材料应力应变关系数据如图3所示。

表1 各部件材料性能

将火药气体压力以压力载荷的形式加在药筒内壁上，最大膛压为430.8 MPa，压力曲线如图4所示。

抽壳机构工作时，随炮尾一起做复进运动的药筒、身管、抽筒子及摇臂撞击固定在摇架上的抽筒模板。由于撞击前后，炮尾的速度基本没有变化，可近似地认为炮尾以一恒定的速度撞击抽筒模板。为分析方便，假定随炮尾一起做后坐复进运动的药筒、身管、抽筒子及摇臂不动，而换为抽筒模板以一定的速度运动，撞击摇臂下端。抽筒子及摇臂通过轴与炮尾连接，通过定义Hinge连接来模拟。身管与药筒、药筒与抽筒子、抽筒子与摇臂、摇臂与抽壳模板之间定义接触；身管与药筒之间定义摩擦，摩擦因数为0.1。

建立两个分析步骤，分别模拟火药爆炸和抽壳运动。

1)药筒施加轴向固定约束。药筒内表面施加膛压，模拟火药爆炸过程，分析时间为20 ms。

2)移除药筒的轴向固定及膛压，给抽筒模板施加一定的速度，模拟抽壳过程，分析时间为100 ms。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真结果

两个抽筒子与药筒之间的接触力之和即为抽壳力，抽壳力曲线如图5所示。

由图5可以看出，抽壳力在抽壳子的作用下瞬间从0变化到最大值，然后又急速下降到0，变化过程约持续5.5 ms；在最大膛压为430.8 MPa，摩擦因数为0.1的仿真条件下，仿真计算得到的最大抽壳力为106.2 kN。试验测得抽壳力的峰值为115 kN[7]。比较仿真数据与试验数据可以看出，最大值误差为8%，仿真结果真实可信，证实了有限元模型的合理性和正确性。

仿真得到抽壳后药筒的速度如图6所示。

由图6可以看出，在抽筒子的作用下，药筒的速度急剧增大，最终达到14.9 m/s。

3.2 模板位置对药筒速度的影响分析

由于实际安装及工作过程中的磨损，抽筒模板的位置(包括上下位置和左右位置)会产生偏差，势必对抽壳后药筒的速度产生影响，而一定的药筒速度是保证药筒顺利、可靠进入排壳装置的前提，药筒速度过小，药筒不能顺利进入排壳装置，滞留在输弹通道上，必定对舰炮的后续发射造成影响，甚至可能引发事故。

仿真过程中，抽筒模板的上下位置可直接调整，抽筒模板的左右位置主要是影响模板与摇臂下端的碰撞时机，亦即碰撞速度，可通过调整抽筒模板的速度来实现。用有限元方法在上面仿真的基础上改变参数进行多次仿真，来研究药筒速度随抽筒模板位置移动的变化情况。

抽筒模板上下位置的变化对药筒速度的影响如图7所示。可以看出，随着抽筒模板位置的下移，药筒的速度逐渐减小。下移距离小于3 mm时，药筒速度减小得比较平缓，药筒速度对下移距离的灵敏度约为100 s-1；下移距离大于3 mm时，药筒的速度迅速下降；下移距离达6 mm时，药筒速度为0，抽筒子已经无法抽出药筒。故在机构安装及调试过程中，一定要控制好抽筒模板摇臂的相对位置；在工作的过程中，要注意抽筒模板及摇臂下端的磨损情况，以便及时调整或更换。机构设计时可考虑增加抽筒模板及摇臂下端的耐磨性，以增长机构的工作寿命。

由于炮尾的复进速度比较平稳，故抽筒模板在一定范围内移动时，其与摇臂的碰撞速度的变化较小，以0.1 m/s的变化量来考虑，模板速度变化对药筒速度的影响如图8所示。从图8中可以看出，随着抽壳时碰撞速度的增大，药筒的速度也相应增大，两者基本成线性变化，药筒速度对碰撞速度的灵敏度约为4。在实际当中考虑到各种因素，抽筒模板在左右移动时，抽筒模板与摇臂之间的碰撞速度不会变化过大，所以碰撞速度的变化对药筒速度的影响是有限的。抽筒模板左右位置的选择主要要考虑抽壳机构与开闩机构的匹配问题。

4 结论

1)随着抽筒模板的下移，药筒速度逐渐减小。下移距离小于3 mm时，药筒速度减小得比较平缓，对抽壳效果影响不大；下移距离大于3 mm时，药筒的速度迅速下降，严重影响抽壳效果甚至无法抽出药筒。故要控制抽筒模板相对摇臂的安装精度；同时，增强摇臂及抽筒模板的耐磨性。

2)抽筒模板的左右位置变化对药筒的速度影响不大，不会影响抽壳效果。但在实际机构中，抽筒模板的左右位置会影响到与开闩机构的配合。

本文的研究结果可为抽壳机构的结构设计和安装使用提供参考。

References)

[1]戴成勋,靳天佑,朵英贤.自动武器设计新编[M].北京:国防工业出版社,1990. DAI Chengxun, JIN Tianyou, DUO Yingxian. The new compiles of automatic weapon design[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1990.(in Chinese)

[2]卫丰,张光.药筒发射应力和抽壳力的有限元分析[J].爆炸与冲击,2001,21(1):72-75. WEI Feng, ZHANG Guang. The FEA analysis for emission stresses of cartridge cases and forces for extraction[J]. Explosion and Shock Waves,2001,21(1):72-75.(in Chinese)

[3]康艳祥,张以都,白绍鹏.自动武器抽壳过程仿真及抽壳力相关研究[J].计算机仿真,2007,24(3):18-22. KANG Yanxiang, ZHANG Yidu, BAI Shaopeng. Simulation of cartridge case extraction process for automatic weapon and research on extraction force[J]. Computer Simulation,2007,24(3):18-22.(in Chinese)

[4]赫雷,周克栋,洛佳光,等.某自动武器弹性抛壳过程仿真分析[J].弹道学报,2010,22(3):35-38. HE Lei, ZHOU Kedong, LUO Jiaguang,et al. Simulation analysis of elastic ejection process of some automa-tic weapon[J].Journal of Ballistics,2010,22(3):35-38. (in Chinese)

[5]TANG Wenxian, ZHANG Jian, ZHANG Pan. Cartridge-case extracting analysis of some breech mechanism based on flexible body dynamics method[J].Applied Mechanics and Materials,2011,43(10):338-341.

[6]张建,唐文献,徐省省,等.火炮炮闩抽筒子结构优化设计[J].兵工学报,2012,33(6):647-651. ZHANG Jian, TANG Wenxian, XU Xingxing, et al. Structural optimization design for breechblock extractor[J]. Acta Armamentarii,2012,33(6):647-651.(in Chinese)

[7]徐耀春. 舰炮抽壳系统非线性结构动力学分析[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2011. XU Yaochun. Nonlinear structural dynamics analysis of naval gun extractor system[D]. Zhenjiang:Jiangsu University of Technology, 2011.(in Chinese)

SimulationAnalysisofNavalGunExtractorMechanisminProcessofCartridgeCaseExtraction

TAN Bo, HOU Jian, KE Xuewei, LIU Huimin

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

Aimed at the special structure of naval gun extractor mechanism, the FEA dynamics simulation model of the extractor mechanism was established. The time-curve of extraction force and cartridge case velocity were acquired. The influences of extraction plate position on velocity of cartridge case were analyzed by use of the simulation data. The analysis results showed that as the extraction plate moves down, the velocity of cartridge case gradually decreases, when the shift-down distance is less than 3mm, the effect is little; when the distance is more than 3mm, the velocity of cartridge case was greatly reduced, this has seriously impact on extraction quality even make the gun cannot extract the cartridge case. The influence of extraction plate variation in the left position and right position on velocity of cartridge case is little, this cannot affect the extraction quality of the gun extractor mechanism.

naval gun；extractor mechanism；extraction force；simulation

2014-02-13；

2014-06-30

谭波(1979-)，男，博士，讲师，主要从事结构动力学研究。E-mail：turbo1996@126.com

TJ413

A

1673-6524(2014)04-0049-04