空投弹药箱的设计及其着陆过程数值分析

2015-12-23陈扬

兵器装备工程学报 2015年6期

【装备理论与装备技术】

空投弹药箱的设计及其着陆过程数值分析

陈扬

(陆军军官学院，合肥230000)

摘要：针对驻在海岛、高原等部队弹药补给通过一般物流方式难以到达的问题，设计出相适应的空投弹药箱，使用空投的方式对上述地区进行物资补给，很好地解决了这一地区军事物流难以解决的问题；运用有限元分析方法，建立了弹药箱有限元模型，分别借助动力学方程的显式中心差分求解方法和对称罚函数接触算法，研究了弹药箱着陆瞬间的冲击动力学问题，初步获得了弹药箱着陆响应，结果表明了空投弹药箱着陆的可行性；研究成果能够为弹药箱结构设计及改进、空投物流缓冲包装和高成本的空投物资试验提供了依据和指导。

关键词：军事物流；弹药箱；空投；有限元；LS-DYNA

收稿日期：2015-02-17

作者简介：陈扬(1990—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统检测研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.012

中图分类号：TJ410.89

文章编号：1006-0707(2015)06-0045-04

收稿日期：2014-12-25

基金项目：航空科学基金(2013ZC12)

本文引用格式：陈扬.空投弹药箱的设计及其着陆过程数值分析[J].四川兵工学报，2015(6):45-47.

Citation format:CHEN Yang.Numerical Analysis of Design and Its Landing Airdrop Ammunition Box[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):45-47.

Numerical Analysis of Design and Its Landing Airdrop Ammunition Box

CHEN Yang

(Army Officer Academy, Hefei 230000, China)

Abstract:Based on the problem that the ammunition is difficult to be transferred to the troops stationed in the plateau, island and so on through the general logistics, suitable airdrop ammunition box was designed. Using air-drop way to supply this area is a good solution to the difficulty of military logistics in this area. Using the finite element analysis method, we established the finite element model of ammunition boxes respectively by means of explicit central difference method for solving the dynamic equation of the contact algorithm and symmetric penalty function, and studied the dynamics of impact ammunition box landing moment. We obtained the ammunition boxes landing response. The result shows the feasibility of the aerial ammunition box landing. Research results can provide a basis and guidance for the design and improvement of ammunition box structure, air cushion packaging and the high cost of air-drop supplies test.

Key words: military logistics; caisson; air-drop; finite element; LS-DYNA

着陆过程是空投弹药箱的重要环节，关系到空投弹药箱的安全性和可靠性。早期对于空投着陆过程的研究主要依赖于简单的数学模型、经验和试验，前者难以准确的评估空投的安全性和计算着陆冲击的参数、载荷，后者耗费大量的人力、物力、时间，周期长，风险大。为此，本文采用计算仿真的方法，模拟弹药箱着陆过程，通过获得的动态响应和直观的应力应变情况为弹药箱结构设计提供理论指导和优化建议，大大提高了效率并降低了风险和成本。

1空投弹药箱的设计

1) 箱内区域设计。大多数炮弹为药筒分装式，故弹药箱内主要需装弹体、药筒和引信3类。由于三者抗冲击性能不同和安全性规定，故将它们在箱内分区存放。考虑到弹体的质量较大，所以采取如图1所示的区域分割。

图1　弹药箱区域分布图

2) 各区域内排布设计。箱内弹体、药筒区域内的排布主要有水平和竖直2种放置形式，水平放置时弹体和药筒层层铺设，着陆时可能会由于冲击力过大导致弹体和药筒的固定支架变形损坏，所以采取在各自区域内的竖直摆放，如图2所示。引信质量、体积相对较小，不需额外设计放置形式。

图2　箱内弹体、药筒区域内的排布

3) 载弹量的确定。由于空投弹药箱的特殊性，其载弹量的确定原则有别于普通弹药运输箱，经查证相关资料分析得出空投弹药箱载弹量的基本依据：一次能空投单个或数个弹药箱，可以为单炮或战斗群补给弹药，保证弹药补给的灵活性；保证空投弹药箱近似正方形，降低着陆倾覆事件的发生概率；弹药消耗的一般规律。

综上可得，空投弹药箱的载弹量定为30发，按5×6式排布，算上引信区的排布，箱体正好近似为正方体。

4) 弹体、药筒固定装置和橡胶垫。为了防止弹体和药筒在箱内互相碰撞，箱内安装了固定弹体和药筒的支架。同时为了避免着陆瞬间，弹体和药筒与箱底的硬性接触导致塑性变形，故各在底部加有缓冲橡胶垫，如图3所示。空投弹药箱实体模型如图4所示。

图3　固定装置和橡胶垫

图4　弹药箱实体模型

2弹药箱空投着陆过程

火炮弹药箱空投主要依靠大型运输机将其送到目的地的上空，用牵引伞把空投弹药箱拉出机舱，同时释放引导伞，拉出主伞，使其充气至满，弹药箱不断减速减旋至平稳下落，最终以6～8 m/s的速度着陆，着陆瞬间利用火工品把伞绳切断，以免降落伞将弹药箱拉翻，从而完成整个空投过程。在此，主要利用LS-DYNA瞬态动力学分析软件，重点对伞绳被切断后弹药箱在不同工况下着陆碰撞过程进行仿真。

3弹药箱着陆有限元模型

弹药箱着陆冲击模型如图5，主要包括箱体、炮弹(在箱体内)、气囊和地面。为了降低仿真难度，减少计算时间又兼顾到着陆过程的特点和本文仿真的目的，特此作以下简化和假设：弹药箱着陆瞬间只有地面对其有冲击力；气囊与弹药箱固连，不考虑之间接触；地面可定义为双线性弹塑性材料模型。该模型共179 316个单元，181 309个节点，模型材料参数如表1所示。

图5　弹药箱着陆冲击模型

弹性模量/MPa密度/(t·mm-3)屈服强度/MPa备注软地面10003E-980弹体与引信2100007.85E-9—材料:钢箱体与内部固定架45001.8E-9100材料:合成材料药筒30001.291E-9—材料:硬塑料橡胶垫20001.E-9—

4仿真测试

4.1仿真的计算方法和接触算法

大多数非线性瞬态分析程序都是采用显式时间积分来求解瞬态响应问题的，其中显式积分法采用的是中心差分法。计算流程如图6所示。

图6　计算流程

着陆过程中，弹药箱与地面产生碰撞，在二者相接触的结构之间定义接触面，接触面能有效地模拟相撞结构之间的相互作用，并允许结构之间连续不断的接触和滑动。在接触碰撞界面的算法有很多，在此选用对称罚函数法，处理方法为在每一个时问步中先检查各从结点是否穿透主表面，主节点是否穿透从表面，没有穿透则不作任何处理，否则在该节点与被穿透的主表面(或从表面)之间引入一个大小与穿透量及主表面刚度成正比的接触力，相当于在所有从结点和主表面之问布置一系列的法向界面弹簧。原理如图7所示。

图7　对称罚函数接触算法原理

4.2仿真分析

在无横风干扰下，弹药箱以6 m/s的垂直速度着陆在软地面上(弹模1 GPa),气囊工作正常。图8为弹药箱着陆动画模拟过程。从图9中可知，箱体底部最大位移8.28 mm；固定支架最大位移8.6 mm；应力分布图中可以看出箱体和内部隔板最大应力45 MPa，箱体内固定弹药支架最大应力58 MPa，都没有超过屈服极限100 MPa；引信加速度峰值4.5 g。

综上可得，箱体在整个空投着陆过程中最大应力在允许范围内，引信加速度过载也在安全范围内，理论上可以安全着陆。