解決底排火箭復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)連接強(qiáng)度技術(shù)關(guān)鍵*

倪慶杰,曹成壯,孫 勇,紀(jì)雪松

(遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽 110045)

解決底排火箭復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)連接強(qiáng)度技術(shù)關(guān)鍵*

倪慶杰,曹成壯,孫 勇,紀(jì)雪松

(遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽 110045)

國內(nèi)某底排火箭復(fù)合增程彈型號(hào)項(xiàng)目,研制初期將戰(zhàn)斗部和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu),在靶場(chǎng)強(qiáng)度射擊試驗(yàn)過程中,出現(xiàn)戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體連接螺紋損壞的現(xiàn)象,為解決螺紋連接失效問題,通過試驗(yàn)現(xiàn)象及理論計(jì)算分析,采取增加硬度較高的鋼墊和上緊力矩等措施,通過炮射試驗(yàn)驗(yàn)證,徹底解決了這一技術(shù)關(guān)鍵。整個(gè)失效分析過程和解決途徑對(duì)類似技術(shù)問題有一定的參考價(jià)值。

解決;復(fù)合增程彈;強(qiáng)度;關(guān)鍵

0 問題提出

為增加火炮的射程,國內(nèi)外發(fā)展了底排減阻增程和火箭助推增程的復(fù)合增程彈,可大幅度提高射程。圖1為南非研制的155 mm加榴炮底排火箭復(fù)合增程彈彈丸結(jié)構(gòu)圖,其戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用整體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為一體結(jié)構(gòu),彈丸的同軸性好,缺點(diǎn)是加工、裝配難度大。

圖1 南非155 mm底排火箭復(fù)合增程彈彈丸結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)在進(jìn)行某型號(hào)底排火箭復(fù)合增程彈研制時(shí),將戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu),其目的是降低產(chǎn)品加工及裝配難度,同時(shí)戰(zhàn)斗部殼體可以選用破碎性能好的彈鋼,發(fā)動(dòng)機(jī)殼體可以選用延伸性能好的材料,既保證戰(zhàn)斗部的威力,同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。分體方案的底排火箭復(fù)合增程彈彈丸結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 國內(nèi)某型號(hào)研制的底排火箭復(fù)合增程彈彈丸結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品研制中,在彈體及零部件發(fā)射強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),對(duì)射擊后回收彈丸檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)連接螺紋處出現(xiàn)了膨脹的現(xiàn)象,有火炮陽線印痕(見圖3)。

圖3 試驗(yàn)回收照片

圖4 射擊后回收的彈丸解剖圖

將射擊后回收的彈丸解剖檢查,發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的連接螺紋已被剪切(見圖4),戰(zhàn)斗部底端與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體接觸處被壓出一個(gè)環(huán)形溝痕,深度在1.5～2 mm。

1 理論計(jì)算分析

1.1 有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

方案設(shè)計(jì)時(shí),采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)彈丸進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

由于彈丸結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱的特征,載荷也是軸對(duì)稱的,將彈丸視為軸對(duì)稱問題可使問題簡化,圖5為其計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖。

圖5 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖

底排藥與增程殼體間、底排藥與底螺間、底螺與增程殼體間、炸藥與彈體間采用了接觸算法,摩擦系數(shù)取為0.2。

計(jì)算用火藥氣體壓力數(shù)據(jù)選取膛內(nèi)彈底最大壓力來計(jì)算發(fā)射條件下的彈體強(qiáng)度與炸藥安定性,取炮口最大壓力來計(jì)算炮口處的底排底螺殼體的強(qiáng)度。下導(dǎo)帶以前的彈丸部分不受火藥氣體作用,下導(dǎo)帶以后的彈丸部分受力如圖6所示。

圖6 計(jì)算彈底受力圖

戰(zhàn)斗部殼體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)于與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的觸接處,為827 MPa,且為由于接觸引起的集中應(yīng)力。戰(zhàn)斗部殼體的計(jì)算結(jié)果見圖7。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的最大等效應(yīng)力為1 538 MPa,出現(xiàn)于燃燒室內(nèi)壁底部拐角處,應(yīng)與應(yīng)力集中有關(guān)。兩導(dǎo)帶槽間區(qū)域的等效應(yīng)力在890～1 050 MPa之間。雖然燃燒室內(nèi)壁底部拐角處的最大等效應(yīng)力為1 538 MPa,超過了要求的屈服極限1 350 MPa,但由于發(fā)射過程是一個(gè)瞬態(tài)過程,材料在動(dòng)態(tài)條件下其承受能力可提高30%左右,因此火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的強(qiáng)度滿足要求。計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖7 最大壓力時(shí)刻彈體應(yīng)力分布圖

圖8 最大壓力時(shí)刻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體應(yīng)力分布圖

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,將戰(zhàn)斗部殼體的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)為大于950 MPa,發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)為大于1 350 MPa。

1.2 戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的上緊力矩分析

由于戰(zhàn)斗部殼體與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體有加工公差,裝配后,戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體間有0.1～0.4 mm的間隙,若上緊力矩不夠,發(fā)射時(shí),慣性力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大于上緊力矩,戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體相對(duì)旋轉(zhuǎn),較大的旋轉(zhuǎn)力矩在戰(zhàn)斗部底部沖壓出一環(huán)形溝,戰(zhàn)斗部與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體間產(chǎn)生軸向位移,破壞螺紋。

發(fā)射時(shí),戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的最大慣性力矩計(jì)算公式為:

Mg=Cn·α

式中:Cn為戰(zhàn)斗部(含引信和炸藥)的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;α為最大膛壓瞬間戰(zhàn)斗部的角加速度,α=Pπ2R/m·η。其中,P為最大膛壓,R為彈丸半徑,m為彈丸質(zhì)量,η為火炮纏度。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算,Mg=11 300 N·m。

由計(jì)算得,該產(chǎn)品的上緊力矩需大于11 300 N·m才能保證不發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。戰(zhàn)斗部的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大、發(fā)射膛壓越大、火炮纏度越小,產(chǎn)生的慣性力矩越大。

2 采取措施

由以上分析得知,戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體連接螺紋被破壞的原因是:發(fā)射時(shí),戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn),較大的沖擊力將戰(zhàn)斗部底部壓出一個(gè)溝,戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體間產(chǎn)生軸向位移,將螺紋破壞。

為此提出兩個(gè)解決方案:

a)在戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體間增加一個(gè)硬度較高的鋼墊(強(qiáng)度大于1 500 MPa),保證在沖擊力作用不壓出深溝,避免產(chǎn)生軸向位移。鋼墊結(jié)構(gòu)圖見圖9。

圖9 鋼墊結(jié)構(gòu)圖

b)通過加大裝配力臂、增加裝配人員的辦法,保證上緊力矩大于慣性力矩。但依靠工裝、用人工上緊的方法,達(dá)到11 300 N·m的上緊力矩難度較大。

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證,加鋼墊板方案滿足要求(射擊后回收的彈丸見圖10)。不加鋼墊方案試驗(yàn),個(gè)別發(fā)彈丸仍出現(xiàn)連接螺紋被破壞的情況。經(jīng)過綜合平衡,決定采用增加硬度較高的鋼墊板方案。

圖10 加鋼墊片方案射擊后回收彈丸照片

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算分析,對(duì)于極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的連接部件,除了要計(jì)算接觸應(yīng)力外,還要考慮慣性旋轉(zhuǎn)力矩的影響,保證上緊力矩大于旋轉(zhuǎn)慣性力矩。在上緊力矩較大,實(shí)現(xiàn)較困難時(shí),可考慮增加硬度較高的鋼墊的措施加以解決。

[1] 彈藥技術(shù)叢書編輯部. 特種彈設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1999.

[2] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東暉, 等. 彈丸設(shè)計(jì)理論 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985.

[3] 彈藥技術(shù)叢書編輯部. 榴彈設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1999.

[4] 西北工業(yè)大學(xué), 北京航空學(xué)院, 南京航空學(xué)院合編. 理論力學(xué) [M]. 北京: 人民教育出版社, 1981.

[5] 郭錫福, 申國太. 彈丸發(fā)射動(dòng)力學(xué) [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1995.

Key Technology of Connecting Strength of Warhead and Engine of BB & Rocket Long-range Compounded Projectile

NI Qingjie,CAO Chengzhuang,SUN Yong,JI Xuesong

(Liaoshen Industries Croup Co. Ltd, Shenyang 110045, China)

Warhead and rocket engine case of one domestic BB & Rocket long-range compounded projectile were designed as separated structure in its initial researching state and during strength test in shooting range, the threads connecting warhead with rocket engine case is damaged. In order to resolve the problem of threads damaging, through testing, theoretical calculation and analysis, the methods of adding hard steel shim and tightening moment were adopted, the technical problem was conquered. The failure analysis process and the resolving method can be as a guide for similar technical problems.

resolve; long-range compounded projectile; strength; key

2014-07-15

倪慶杰(1963-),男,遼寧沈陽人,研究員,碩士,研究方向:彈藥工程。

TJ413.4

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