某型突击车炮塔区域内膛口流场数值模拟分析

韩小平，赵富全，张严严，郝 刚

（1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072；2.总装备部通用装备保障部，北京 100720）

某型突击车炮塔区域内膛口流场数值模拟分析

韩小平1，赵富全1，张严严1，郝 刚2

（1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072；2.总装备部通用装备保障部，北京 100720）

针对某型突击车进行实弹射击后炮塔出现层裂现象，应用计算流体力学原理，采用动态层法动网格原理，建立包含炮塔区域在内的膛口流场数值模拟模型，通过与试验结果进行对比，验证数值模拟模型的可靠性，在此基础下，进一步计算分析得到膛口冲击波对炮塔前装甲板的作用时刻与力值；并以该结果作为输入，应用有限元分析方法得到炮塔的瞬态应力。结果表明，炮塔出现最大应力位置与实际炮塔发生层裂位置一致，膛口冲击波对炮塔的冲击作用是某型突击车炮塔发生层裂现象的主要因素之一，为后续综合分析炮塔发生层裂提供一定参考和数据支撑。

突击车；炮塔；膛口流场；数值模拟

随着我军坦克不断发展，武器系统的整体战斗性能不断提高，火药气体后效期形成的膛口冲击波带来的危害越来越大，制约着坦克炮综合性能的进一步提高。膛口流场为非定常、多项流动、湍流，并具有化学反应的复杂流场，伴随冲击波射流而产生的有害扰动有强激波、冲击波、电磁辐射、烟焰，大口径火炮和高性能高速武器产生的膛口流场的有害扰动是极其强烈的。弹丸出膛后，膛口流场对弹丸的运动依然有影响，同时膛口流场的不断扩大和变化对炮塔及周边环境存在瞬间强烈的冲击作用，该冲击对火炮以及周边人员的安全有着一定影响，特别是加装炮口制退器以后，使膛口流场的负面影响大大加强。南京理工大学、中北大学等科研院所，对不同炮口制退器产生的膛口冲击波炮口区域内流场的变化规律进行了细致研究，然而膛口冲击波对炮塔及周边环境影响逐渐凸显［1］，某型突击车在进行一定射击训练后，炮塔本体产生层裂现象较为普遍，这是包括炮口冲击波在内的多种因素共同作用的结果，需要进一步系统分析。笔者利用CFD技术对该型突击车炮塔前方区域进行膛口冲击波流场进行数值模拟分析，进而对炮塔前装甲板所受冲击波的影响进行定量分析，为下一步深入研究炮塔发生层裂原因提供理论支持。

1 数值计算方法

火炮膛口流场的复杂性决定了对其进行仿真研究需要一定程度的简化，笔者忽略火药气体多组分和化学反应的影响，采用无粘两维轴对称非定常Euler方程描述气体流动，其控制方程［2］为

式中：ρ、p分别为流体的密度和压强；u、v为x、y方向的速度分量；e为单位体积内流体的总能，包括内能和动能，当气体为理想气体时，e=p／（γ－1）+ ρ（u2+v2）／2，γ为火药燃气比热比。

在含有运动弹丸的网格运动条件下，计算流场内控制体发生改变，控制方程表示为

式中：V为运动区控制体；ρ为流体密度；∂V为运动区控制体边界；φ为通用变量；ul为流体速度；ug为运动网格速度矢量；Sφ为φ的源项；A为面积。

2 动网格边界生成

由于膛口外流场耦合有运动弹丸，所以弹丸运动过程中，弹丸周围的网格需要重新划分，在CFD中可以通过弹性光顺法、动态层法和局部网格重构3种动网格技术来处理网格重构问题［35］。对非结构网格而言，需要同时采用弹簧光顺法和网格重构法在运动边界周围进行网格重划分，这种方法使用范围较广，操作简单，但重划分的网格质量差。而动态层法适用于结构网格，其网格重构的原理如图1所示。

使用动态层法新生成的网格质量较高，计算效率高且容易收敛。在使用动态层动网格时，需要先定义网格基础高度hi、网格消亡参数cc、网格分割参数cs。当运动边界按照图2所示方向运动时，第i层网格高度被压缩而逐渐减小，当h满足条件h＜cchi时，第i、j层网格合并成为一层新的网格；当运动边界按照反方向运动时，第i层网格由于拉伸作用导致高度逐渐增加，当h满足条件h＞（1+cs）hi时，第i层网格将分裂成为两层新的网格。本文取hi=12，cs=0.5，cc=0.5。

采用9 m×3 m的计算区域，炮口制退器距离炮塔前装甲板4.5 m，在水平方向上根据火炮对称性，将计算域化为实际外流场的二分之一，同时该炮安装有炮口制退器，炮口制退器结构复杂，气体参数在此处梯度较大，收敛难度大，为提高计算效率保证计算收敛，笔者在CFD前处理软件ICEM14.0中通过网格拼接技术建立了炮口外流场结构网格。图2为外流场的二分之一模型，图3为拼接后炮口制退器附近划分的网格。

3 仿真结果与分析

3.1 膛口流场对炮塔的作用

定义远场边界条件为压力出口，其值为标准大气压，由于入口边界条件是非定常的，所以需要通过编写UDF函数来自定义。弹丸到达炮口时的压力、速度、温度由内弹道计算可知，三者均为以时间为自变量的函数，以此定义压力入口边界条件［6］。设置计算时间步长为1μs，图4为炮口流场计算曲线图与高速摄像机采集到的实弹射击时现场结果对比图。从图4中可以看出，利用动网格和UDF文件能够有效方便地模拟弹丸运动，在弹丸飞离制退器前，火药气体从制退器侧孔高速喷出，制退器侧面气体受到高速火药气体的挤压，制退器附近外界气体速度迅速提高，同时气体压力上升，形成侧面冲击波，侧面冲击波以侧孔为圆心向外界扩展。当弹丸飞离制退器后，部分火药气体从制退器前部流出，形成主射流，在此过程中马赫盘产生，马赫盘逐渐扩大然后消失。

在某次实弹射击过程中，用高速摄像机采集到了弹丸出炮口一段时间内的图像，通过对图像进行分析，得到了各个时刻炮口附近的冲击波情况，如图5所示。从图4和图5对比结果来看，仿真模拟与实弹射击时反映出来的炮口声光特性具有较高一致性，图5（b）白色圆圈标注区域内景象明显变形扭曲，在摄像中整个区域向左运动，并压缩左侧空气，与图5（a）仿真中波阵面的传播规律相一致。

为了计算膛口冲击波对炮塔的影响，在炮塔前侧取一监测点犃，如图2所示，图6为将不同时刻犃点所受压力进行拟合得到的压力曲线。从图6可以看出膛口冲击波在弹丸出炮口约10.5 ms到达前装甲板，随后迅速增大，约12.5 ms时达到最大值，约为0.15 MPa，随着火药燃烧量的减少，从炮口制退器溢出而补充到后方的气体越来越少，导致冲击波对炮塔的冲击力减小。

3.2 炮塔的应力分析

相对于炮口与炮塔前装甲板之间的空间，炮塔前装甲板平面较小，为了便于计算作出一定假设，近似将前装甲板看作为一个垂直于身管轴线的平面，炮塔前装甲板所受膛口流场的作用为均布载荷，忽略防盾在受到冲击力下对炮塔的影响。利用ANSYS编写APDL命令流，施加冲击波载荷，得到的炮塔应力云图如图7所示。从图7可以看出，炮塔装甲板受到冲击力时炮塔最大应力出现在左前侧和右前侧装甲板内，最大应力与最小应力相差100个数量级。计算所得炮塔左前侧和右前侧底部出现最大应力位置与实际炮塔出现层裂位置相一致。

4 结论

通过对某型突击车炮塔区域进行膛口流场数值模拟仿真，仿真结果展现了发射过程中膛口流场的产生、发展以及与弹丸和炮塔的相互作用关系，整个过程与实弹射击试验完全吻合，通过对仿真结果的分析，发现膛口流场对炮塔前装甲板的瞬时超压值高达0.15 MPa，在其作用下，炮塔内部应力分布不均，并在左前侧和右前侧装甲板内部出现最大应力，这与实际炮塔出现裂纹处存在一定的吻合，充分说明了膛口流场为裂纹的产生作出了一定贡献，为下一步综合考虑火炮后坐力、膛口流场、炮塔结构以及材料因素造成炮塔发生层裂现象的研究提供理论参考。

（Referenees）

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Muzzle Flow Field Simulation of Assault Vehiele in Turret Areas

HAN Xiaoping1，ZHAO Fuquan1，ZHANG Yanyan1，HAO Gang2
（1.Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.General Armament Department，General Equipment Support Department，Beijing 100720，China）

assault vehicle；turret；muzzle flow field；numeral simulation

TJ43.62

A

1673-6524（2015）04-0005-04

2015- 03- 30；

2015- 06- 07

韩小平（1982－），男，硕士，主要从事车载武器测试与仿真技术研究。E-mail：hanxiaoping_1982＠163.com

Abstraet：In order to study the problem that the turret is flawed after the firing practice，the theory of computational fluid mechanics is applied.By using dynamic layer-based dynamic mesh method，the muzzle flow field numerical simulation model including the turret areas is established.The reliability of the numerical simulation model can be proven through the comparison of the simulation results and test results.Based on this，with further analysis through calculation，the action time and force that muzzle flow field attacks the front armor of turret can be worked out.The results can be used to put into the finite element model as an input for the availability of the transient stress of the turret.The experiment results show that the position of max stress of turret is the same as that of the turret flaws，and the function of muzzle shock wave is a very important factor in the phenomenon of the turret being flawed，which gives some reference and data support for the subsequent analysis of the reason for turret flawing.