基于Autodyn的單兵平衡拋射武器彈筒分離過程研究*

劉云峰,周曉東,趙曉利,石蔚春,甘小紅

(1　重慶軍代局駐356廠軍事代表室,昆明　650114;2　解放軍軍械工程學院,石家莊　050003;3　南京軍代局駐9373廠軍事代表室,安徽蚌埠　233010;4　國營9373廠,安徽蚌埠　233010)

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基于Autodyn的單兵平衡拋射武器彈筒分離過程研究*

劉云峰1,2,周曉東2,趙曉利2,石蔚春3,甘小紅4

(1重慶軍代局駐356廠軍事代表室,昆明650114;2解放軍軍械工程學院,石家莊050003;3南京軍代局駐9373廠軍事代表室,安徽蚌埠233010;4國營9373廠,安徽蚌埠233010)

摘要:由于單兵平衡拋射武器結構的特殊性,彈丸在出筒體前會有彈筒分離過程,這與傳統武器系統有較大差異,且此過程速度快、分離過程復雜、擾動較大,為此文中在充分研究該武器結構特點和彈筒分離過程的基礎上,運用Autodyn有限元仿真軟件,對彈筒分離過程進行了仿真,仿真的結果與實際情況吻合性較好,可為研究該武器的彈丸速度等問題提供重要參考。

關鍵詞:平衡拋射武器;Autodyn;彈筒分離;速度

0引言

從近幾場局部戰爭可以看出,陸軍的地位作用已在悄然發生變化,更有專家學者認為未來陸軍的主戰場是城市,城市戰的戰斗空間狹窄、地形復雜,傳統的大型武器和單兵火箭筒不便使用[1],單兵平衡拋射武器應運而生。該武器系統屬一次性使用的肩射武器,由單兵攜行,不占編制,可在碉堡坑道、掩體和建筑物等有限空間發射,具有微光、微煙、微聲等微痕跡發射的特點,是未來城市必備武器之一[2]。

與傳統武器不同,該武器的彈丸在出筒口時有彈筒分離的過程,此過程速度快、時間短、作用復雜,為摸清此過程的作用機理,文中針對80 mm口徑的單兵平衡拋射的彈筒過程進行了研究和仿真,得到的結論可為開展相關研究、優化設計和相關保障提供理論基礎。

1彈筒分離過程

該武器系統的結構示意圖見圖1。發射器發射時,被點燃的火藥產生的燃氣拉斷藥管并推動前活塞和彈丸、后活塞和平衡體分別向前后運動,在筒口處活塞與變形環發生沖擊變形,為防止在攜行和運輸過程中彈丸在筒內隨意晃動,彈丸與前活塞、平衡體與后活塞由預置削弱槽的螺紋連接,在筒口制動的同時彈丸與前活塞、平衡體與后活塞在螺紋連接處拉斷,彈丸和平衡體分別飛出發射筒[3-4]。

將彈丸(或平衡體)飛出發射筒后留在發射筒(包括發射筒)的所有部件稱為筒,則此過程就可稱為彈筒分離過程。此過程經歷的時間和距離都非常短,僅為1～2 cm,利用高速攝影或X光等手段可以了解此過程,但成本很高且作用機理與受力情況不易知道,為此需要進行有限元仿真,這也就是文中研究的意義所在。

圖1　平衡拋射武器結構示意圖

2Autodyn仿真

2.1材料選擇與網格劃分

由于模型嚴格軸對稱,所以文中建立的是1/4三維立體模型,模型結構較復雜,劃分網格時綜合運用了Hypermesh和Ansys軟件進行網格劃分[5],模型的網格劃分如圖2所示。文中在拉斷處保持直徑和材料一致的前提下將長度人為加大,這樣利于觀察變形過程。

圖2　模型的網格劃分

2.2材料的本構關系

彈丸在拉斷處為大變形,材料服從非線性等向強化規律,這種材料的材料模型特別適合大變形分析,Voce強化準則的非線性等向強化規律[6]由式(1)給出:

(1)

式中:σ0為彈性極限,即屈服應力;R0、R∞、b是與等向強化材料有關的材料參數。

2.3仿真計算

將劃分好網格的模型導入Autodyn軟件,在Y軸和Z軸施加對稱約束,文中假設在武器發射時發射筒不動,故在變形環底端施加約束,保持在制動過程中變形環不動。給彈丸和活塞在X軸上賦初速-180 m/s。由于Autodyn軟件自帶的材料模型非常豐富且參數真實可信,故本模型直接采用軟件中自帶的材料。彈丸和活塞材料采用7A04高強硬鋁,變形環材料采用A3鋼,發射筒較活塞和變形環硬度大很多所以設為剛體。仿真結果見圖3～圖5。

圖3　60 μs時刻情況

圖4　150 μs時刻情況

圖5　190 μs時刻情況

從圖3～圖5中可以看出,彈筒分離時刻大約在從活塞與變形環接觸后的第190 μs,此時變形環的變形已基本到位。

圖6　拉斷處的受力情況

圖7　彈丸的速度變化情況

圖8　活塞速度變化情況

從圖6可以看出,拉斷處的拉力是震蕩增加的,表明拉斷過程存在擾動,此擾動可能來源于拉斷處材料抵抗拉斷的抗力和活塞壓縮變形環的制動力,拉斷處壓強的峰值是600 MPa;從圖7可以看出,彈丸的速

度變化也是震蕩變化,這與拉斷處的受力情況一致,彈丸飛出時的速度為179.3 m/s,速度下降僅為0.7 m/s,而此時活塞的速度從圖8中可以看出為60 m/s,表明在彈丸飛出筒體后,活塞會繼續運動壓縮變形環,且彈丸的速度損失特別小,這樣的連接既保證了彈丸在筒內穩固不晃動,又保證了彈丸有足夠的射程。

3結論

文中針對單兵平衡拋射武器的彈筒分離過程進行了研究,并結合Autodyn仿真軟件進行了仿真,仿真結果較理想,摸清了在此過程中彈丸、拉斷處、活塞的速度和受力情況,結果表明彈丸的速度制動為180 m/s時,彈丸離筒速度為179.3 m/s,活塞此時速度為60 m/s,拉斷處的壓強峰值為600 MPa,可為開展相關研究提供有力理論支撐。

參考文獻:

[1]閆嘉琪. 凸顯人道的城市戰武器 [J]. 現代兵器, 2004(9): 16-19.

[2]劉銘. 攻堅新利器中國DZJ08式單兵多用途 [J]. 國產兵器, 2010, 10(下): 10-14.

[3]王本河, 徐乃成, 甘小紅, 等. 平衡拋武器制動機構設計與實現 [J]. 彈箭與制導學報, 2009, 29(4): 161-163.

[4]洪黎, 張合, 李豪杰, 等. 某單兵火箭彈作用時間自適應修正方法 [J]. 儀器儀表學報, 2013, 8(8): 1916-1920.

[5]王鈺棟. HperMesh & HyperView應用技巧與高級實例 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2012: 123-131.

[6]張偉, 肖新科, 魏剛. 7A04鋁合金的本構關系和失效模型 [J]. 爆炸與沖擊, 2011, 31(1): 81-87.

*收稿日期:2014-12-26

作者簡介:劉云峰(1990-),男,黑龍江齊齊哈爾人,助理工程師,碩士,研究方向:彈藥系統設計與試驗評估。

中圖分類號:TJ32

文獻標志碼: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