基于Autodyn的单兵平衡抛射武器弹筒分离过程研究*

刘云峰,周晓东,赵晓利,石蔚春,甘小红

(1　重庆军代局驻356厂军事代表室,昆明　650114;2　解放军军械工程学院,石家庄　050003;3　南京军代局驻9373厂军事代表室,安徽蚌埠　233010;4　国营9373厂,安徽蚌埠　233010)



基于Autodyn的单兵平衡抛射武器弹筒分离过程研究*

刘云峰1,2,周晓东2,赵晓利2,石蔚春3,甘小红4

(1重庆军代局驻356厂军事代表室,昆明650114;2解放军军械工程学院,石家庄050003;3南京军代局驻9373厂军事代表室,安徽蚌埠233010;4国营9373厂,安徽蚌埠233010)

摘要:由于单兵平衡抛射武器结构的特殊性,弹丸在出筒体前会有弹筒分离过程,这与传统武器系统有较大差异,且此过程速度快、分离过程复杂、扰动较大,为此文中在充分研究该武器结构特点和弹筒分离过程的基础上,运用Autodyn有限元仿真软件,对弹筒分离过程进行了仿真,仿真的结果与实际情况吻合性较好,可为研究该武器的弹丸速度等问题提供重要参考。

关键词:平衡抛射武器;Autodyn;弹筒分离;速度

0引言

从近几场局部战争可以看出,陆军的地位作用已在悄然发生变化,更有专家学者认为未来陆军的主战场是城市,城市战的战斗空间狭窄、地形复杂,传统的大型武器和单兵火箭筒不便使用[1],单兵平衡抛射武器应运而生。该武器系统属一次性使用的肩射武器,由单兵携行,不占编制,可在碉堡坑道、掩体和建筑物等有限空间发射,具有微光、微烟、微声等微痕迹发射的特点,是未来城市必备武器之一[2]。

与传统武器不同,该武器的弹丸在出筒口时有弹筒分离的过程,此过程速度快、时间短、作用复杂,为摸清此过程的作用机理,文中针对80 mm口径的单兵平衡抛射的弹筒过程进行了研究和仿真,得到的结论可为开展相关研究、优化设计和相关保障提供理论基础。

1弹筒分离过程

该武器系统的结构示意图见图1。发射器发射时,被点燃的火药产生的燃气拉断药管并推动前活塞和弹丸、后活塞和平衡体分别向前后运动,在筒口处活塞与变形环发生冲击变形,为防止在携行和运输过程中弹丸在筒内随意晃动,弹丸与前活塞、平衡体与后活塞由预置削弱槽的螺纹连接,在筒口制动的同时弹丸与前活塞、平衡体与后活塞在螺纹连接处拉断,弹丸和平衡体分别飞出发射筒[3-4]。

将弹丸(或平衡体)飞出发射筒后留在发射筒(包括发射筒)的所有部件称为筒,则此过程就可称为弹筒分离过程。此过程经历的时间和距离都非常短,仅为1～2 cm,利用高速摄影或X光等手段可以了解此过程,但成本很高且作用机理与受力情况不易知道,为此需要进行有限元仿真,这也就是文中研究的意义所在。

图1　平衡抛射武器结构示意图

2Autodyn仿真

2.1材料选择与网格划分

由于模型严格轴对称,所以文中建立的是1/4三维立体模型,模型结构较复杂,划分网格时综合运用了Hypermesh和Ansys软件进行网格划分[5],模型的网格划分如图2所示。文中在拉断处保持直径和材料一致的前提下将长度人为加大,这样利于观察变形过程。

图2　模型的网格划分

2.2材料的本构关系

弹丸在拉断处为大变形,材料服从非线性等向强化规律,这种材料的材料模型特别适合大变形分析,Voce强化准则的非线性等向强化规律[6]由式(1)给出:

(1)

式中:σ0为弹性极限,即屈服应力;R0、R∞、b是与等向强化材料有关的材料参数。

2.3仿真计算

将划分好网格的模型导入Autodyn软件,在Y轴和Z轴施加对称约束,文中假设在武器发射时发射筒不动,故在变形环底端施加约束,保持在制动过程中变形环不动。给弹丸和活塞在X轴上赋初速-180 m/s。由于Autodyn软件自带的材料模型非常丰富且参数真实可信,故本模型直接采用软件中自带的材料。弹丸和活塞材料采用7A04高强硬铝,变形环材料采用A3钢,发射筒较活塞和变形环硬度大很多所以设为刚体。仿真结果见图3～图5。

图3　60 μs时刻情况

图4　150 μs时刻情况

图5　190 μs时刻情况

从图3～图5中可以看出,弹筒分离时刻大约在从活塞与变形环接触后的第190 μs,此时变形环的变形已基本到位。

图6　拉断处的受力情况

图7　弹丸的速度变化情况

图8　活塞速度变化情况

从图6可以看出,拉断处的拉力是震荡增加的,表明拉断过程存在扰动,此扰动可能来源于拉断处材料抵抗拉断的抗力和活塞压缩变形环的制动力,拉断处压强的峰值是600 MPa;从图7可以看出,弹丸的速

度变化也是震荡变化,这与拉断处的受力情况一致,弹丸飞出时的速度为179.3 m/s,速度下降仅为0.7 m/s,而此时活塞的速度从图8中可以看出为60 m/s,表明在弹丸飞出筒体后,活塞会继续运动压缩变形环,且弹丸的速度损失特别小,这样的连接既保证了弹丸在筒内稳固不晃动,又保证了弹丸有足够的射程。

3结论

文中针对单兵平衡抛射武器的弹筒分离过程进行了研究,并结合Autodyn仿真软件进行了仿真,仿真结果较理想,摸清了在此过程中弹丸、拉断处、活塞的速度和受力情况,结果表明弹丸的速度制动为180 m/s时,弹丸离筒速度为179.3 m/s,活塞此时速度为60 m/s,拉断处的压强峰值为600 MPa,可为开展相关研究提供有力理论支撑。

参考文献:

[1]闫嘉琪. 凸显人道的城市战武器 [J]. 现代兵器, 2004(9): 16-19.

[2]刘铭. 攻坚新利器中国DZJ08式单兵多用途 [J]. 国产兵器, 2010, 10(下): 10-14.

[3]王本河, 徐乃成, 甘小红, 等. 平衡抛武器制动机构设计与实现 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(4): 161-163.

[4]洪黎, 张合, 李豪杰, 等. 某单兵火箭弹作用时间自适应修正方法 [J]. 仪器仪表学报, 2013, 8(8): 1916-1920.

[5]王钰栋. HperMesh & HyperView应用技巧与高级实例 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2012: 123-131.

[6]张伟, 肖新科, 魏刚. 7A04铝合金的本构关系和失效模型 [J]. 爆炸与冲击, 2011, 31(1): 81-87.

*收稿日期:2014-12-26

作者简介:刘云峰(1990-),男,黑龙江齐齐哈尔人,助理工程师,硕士,研究方向:弹药系统设计与试验评估。

中图分类号:TJ32

文献标志码:A

Research on Projectile-cartridge Separation of Equilibrium Launcher Based on Autodyn

LIU Yunfeng1,2,ZHOU Xiaodong2,ZHAO Xiaoli2,SHI Weichun3,GAN Xiaohong4

(1Military Representative Office of Chongqing Military Representative Bureau in No.356 Factory, Kunming 650114, China;2Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China; 3Military Representative Office of Nanjing Military Representative Bureau in No.9373 Factory, Anhui Bengbu 233010, China; 4No.9373 Factory, Anhui Bengbu 233010, China)

Abstract:According to structure speciality of equilibrium launcher, the projectile will experience projectile-cartridge separation before leaving the cartridge, this is different from traditional weapon. At the same time, the velocity is high, the separation process is complex, the disturbance is also big. In the paper, finite-element code Autodyn was used to simulate the projectile-cartridge separation process on the basis of research on weapon structure characteristics and the projec tile-cartridge separation process. This study shows that the theory is similar to the experiment. This study can provide reference for research on projectile velocity.

Keywords:equilibrium launcher; Autodyn; projectile-cartridge separation; velocity