底排弹动态特性及发射强度有限元分析

2021-03-18贾晓玲

机械工程与自动化 2021年1期

贾晓玲

(武警工程大学装备管理与保障学院，陕西西安 710086)

0 引言

底排弹发射时，由于弹丸在膛内运动受到各种载荷的作用，各零部件会发生不同程度的变形，当变形超过一定允许程度时会影响底排弹沿炮膛正确的运动，严重时会使底排弹在膛内受阻，或底排弹零件发生破裂甚至炸药被引爆等而发生膛炸事故。为了预防这些情况发生，有必要对底排弹进行发射强度分析。底排弹出炮口后，其固有频率与其飞行环境中的载荷频率接近时，将威胁弹丸的弹道安全性和飞行稳定性，严重情况下底排弹将碎裂。因此底排弹固有频率的研究分析十分必要[1]，这些参数可用于(重)设计过程，优化弹丸系统的动态特性。有限元分析方法作为一种强有力的数值计算方法,具有数据运算速度快、分析成本低、计算精度高、模型修改较方便等优点，广泛应用于国防工业领域[2-6]。本文运用ANSYS有限元分析软件对某底排弹进行了动态特性和发射强度计算，以校核弹丸的整体性能。

1 底排弹动态特性分析

1.1 底排弹有限元模型建立

某型号底排弹整体结构如图1所示，主要包括底排装药、底排壳体、弹带、主装药、弹体、引信等部件。

1-挡板;2-底排装药;3-底排壳体;4-弹带;5-主装药;6-弹体;7-引信图1 底排弹整体结构

在底排弹的动态特性有限元分析中，主装药和底排装药相对于弹体和底排壳体来说属于柔性体，且挡板相对于底排壳体来说体积较小，故可以作合理简化。简化工作主要是用弹体和底排壳体的假密度[7]模拟底排弹的内部装药和挡板，采用此种方式可大大降低有限元模型的复杂度，同时能够保证足够的计算精度。对模型进行网格划分时单元类型选用Solid185单元，计算时底排弹分析模型各部分材料特性如表1所示。底排弹有限元模型如图2所示。

表1 底排弹分析模型材料参数

图2 底排弹有限元模型

1.2 计算结果分析

底排弹的前3阶固有频率如表2所示，对应振型图分别如图3～图5所示。

图3 底排弹第1阶频率及振型

图4 底排弹第2阶频率及振型

图5 底排弹第3阶频率及振型

表2 底排弹前3阶固有频率

由仿真结果可知，底排弹前3阶固有频率数值较大，在弹丸发射及飞行过程中不易引起共振而破坏失能，整体动态特性良好。

2 底排弹发射强度分析

针对底排弹发射强度分析，传统方法如布林克法在计算时的简化力学模型与实际结构相差较远，尤其是在弹尾区域计算的应力有较大误差；弹塑性法则只计算了个别断面的内表面(或外表面)处的应力状态，对整个弹体上应力分布情况缺乏系统验证，对强度不足零件的改进设计缺乏指导作用；而有限元法可有效避免以上缺点。火药气体压力随时间变化曲线如图6所示，弹丸发射时最大膛压为300 MPa，以面力施加到图7所示的弹底区域，计算时采用1/4模型。

图6 火药气体压力p随时间变化曲线图7 弹底压力分布

2.1 有限元模型建立

图8～图11分别为全备弹、弹体、弹带和底排壳体的有限元模型，单元类型选择Soild brick 8 node 185单元，单元形状为四面体。材料属性按照表1内数据定义。

图8 全备弹有限元模型

图9 弹体有限元模型

图10 弹带有限元模型

图11 底排壳体有限元模型

2.2 计算结果分析

(1) 全备弹等效应力云图、应变云图分别如图12和图13所示。由仿真结果可得，底排弹上最大应力值为729 MPa，出现在弹底内壁的边缘上，同时在弹丸相同部位的应变也最大。这是因为弹丸在发射过程中，轴向被压缩，径向被墩粗，而炸药、弹体、弹带组成材料均不相同，并且这三种材料的弹性模量相差较大。因此产生的变形趋势也不一样，从而就会导致这三个部件相互挤压，在接触面上产生较大的应力。

图12 全备弹等效应力云图

图13 全备弹等效应变云图

(2) 弹体等效应力云图如图14所示。由仿真结果可得，弹体上最大应力为601 MPa。底排弹的材料是合金钢,合金钢的许用应力为1 000 MPa，因此弹体发射强度满足要求。

图14 弹体等效应力云图

(3) 弹带等效应力云图如图15所示。由仿真结果可得，弹带上的最大应力为225 MPa，最大应力出现在弹带燕尾槽的尖部，此处如果采用圆角结构能够有效地减少应力集中。弹带材料是紫铜，紫铜的屈服极限为240 MPa，弹带在发射过程中会产生一定的塑性变形，但不会发生损坏现象。由于弹带在发射过程中需嵌入身管膛线从而赋予弹丸一定转速，故允许发生一定量塑性变形，因此弹带的强度满足发射强度要求。