膛內加速度過載測試曲線異常現象分析*

周家勝,楊 瑩,謝 飛,曹成壯,曲凡軍,仵 婧

(1 海軍駐沈陽彈藥專業代表室,沈陽 110045; 2 遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045)

膛內加速度過載測試曲線異常現象分析*

周家勝1,楊 瑩2,謝 飛2,曹成壯2,曲凡軍2,仵 婧2

(1 海軍駐沈陽彈藥專業代表室,沈陽 110045; 2 遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045)

某產品在解決引信故障時進行了膛內加速度過載測試,發現在炮口附近出現測試曲線高頻階躍現象。研制部門從發射裝藥、膛內運動及加速度測試等方面對產生高頻階躍現象進行了分析,對火炮身管內膛進行了檢測,并從安全方面進行了模擬試驗及全彈結構強度仿真分析。結果表明:該異?，F象是彈丸運動到半約束期前期與火炮磕碰,造成信號干擾,引起測試峰值過大;經分析,表明該彈在極端條件下仍在計算許可范圍內,產品發射時是安全的。

膛內過載;峰值異常;分析

0 引言

在解決某產品引信故障過程中,進行了3發彈膛內加速度過載測試,試驗用四軸加速計測量了膛內軸向加速度和橫向加速度?；厥?發彈中黑匣子回讀數據繪制的膛內軸向加速度和橫向加速度曲線如圖1～圖6所示。

從圖1～圖6所示曲線可以看出,3發炮彈都出現不同幅度的軸向和橫向加速度上下高頻階躍現象。其中2號黑匣子回讀數據曲線上出現了向上的高頻階躍軸向加速度峰值,峰值達到16 900g,瞬間(約0.3 ms)高過正常膛內軸向加速度曲線峰值14 000g;而圖4曲線,在同期出現了向上的高頻階躍橫向加速度峰值,峰值達到4 700g,瞬間(約0.3 ms)高過正常膛內橫向加速度曲線峰值1 600g。對此,開展了分析、檢測及仿真分析工作。

圖1 1號黑匣子軸向加速度曲線

1 影響因素分析

影響膛內加速度測試曲線的主要因素有發射裝藥、彈丸在膛內運動正確性、火炮身管內膛情況以及過載測試等四個方面,對此進行了分析。

圖2 1號黑匣子橫向加速度曲線

圖3 2號黑匣子軸向加速度曲線

圖4 2號黑匣子橫向加速度曲線

圖5 3號黑匣子軸向加速度曲線

1.1 發射裝藥因素分析

裝藥結構如果設計不合理,燃燒不穩定,有可能產生兩次峰,進而影響膛內加速度過載曲線。

該產品采用單一品號的AH(改性三基藥)發射藥23/19,研制時進行過膛內P-T曲線測試,曲線光滑、無異常。出現膛內加速度過載曲線測試異常現象后,對該批發射藥又進行了P-T曲線測試,見圖7。測試結果表明,P-T曲線光滑、無異常。

圖6 3號黑匣子橫向加速度曲線

圖7 P-T曲線測試結果

根據能量轉換原理,把實驗結果代入內彈道基本方程[1],計算得出該彈在膛內運動時間為16.15 ms,火藥氣體燃燒結束時間為8.87 ms。

3發彈膛內加速度過載測試結果顯示,其中一發在最大膛壓點(對應時間7 ms)后5 ms(對應時間為12 ms)處又出現一個短時較大峰值,另二發在炮口處(對應時間16 ms左右)有第二個峰值。由于發射藥燃燒完全時間在9 ms前,此時發射藥已經燃盡,后面處于火藥氣體膨脹做功狀態,不會產生火藥氣體突然增大的情況。

從P-T曲線測試及火藥燃燒結束點分析,膛內軸向加速度產生較大振幅不是發射裝藥因素所致。

1.2 彈丸在膛內運動因素分析

由火炮發射炮彈膛內運動規律可知,由于高壓火藥氣體對炮彈作用的不均衡性、炮彈加工或裝配產生的質量偏心、火炮身管內壁陽線磨損以及發射時身管顫振(尤其對較長火炮身管來講)等因素的存在,炮彈在膛內軸向高速推進和高速旋轉運動過程中,會不斷地發生彈炮磕碰現象,產生不均衡力[2]。

由彈丸設計理論,彈丸在膛內運動時有不均衡力,見圖8[3]。

圖8 旋轉軸與對稱軸不重合而引起的不均衡力

圖8中:K2為由旋轉軸與彈軸不重合引起的上定心部的不均衡力;L2為由旋轉軸與彈軸不重合引起的彈帶的不均衡力;K3、L3為上定心部與彈帶處產生的反力,K3、L3大小相等,方向相反;C為彈丸的總離心力;ζ為彈丸質心離開火藥氣體作用線距離。

根據3發彈黑匣子數據反映的高頻階躍現象來看,幾乎都發生在半約束期前期。在這種復雜運動過程前期,受到炮彈上下定心部與身管內壁陽線較小彈炮間隙的約束,盡管彈炮磕碰無法避免,但其力度相對較輕;而當炮彈運動到炮口臨近區域,由于彈頭前方壓縮氣體在炮口區域劇烈泄壓帶來的瞬時擾動以及彈丸前定心部在出炮口瞬間失去了前部支撐,必然在半約束期前期發生一次或多次較大力度的彈炮磕碰現象[4]。

從3發彈回讀黑匣子數據反映的高頻階躍現象就說明了彈炮磕碰現象的存在。也就是說,在半約束期前期發生彈炮磕碰是一種正常現象,只是磕碰力度會有所不同。

該產品經過近千發內彈道、彈丸結構強度及外彈道試驗考核,工作全部正常;檢查強度試驗回收彈丸,上定心部的火炮陽線印痕及各部位的變形量均在要求范圍內,說明產品設計合理。

3發膛內加速度過載測試彈,外彈道飛行聲音正常,均到達落彈區,說明彈丸在膛內運動正確,膛外工作正常。

1.3 火炮身管因素的分析

對該門火炮進行了內膛檢查,結果顯示:在坡膛起始部有燒蝕;2 300 mm(火炮身管長8 060 mm)以后到口部陽線完整,未見異常。

該火炮身管已射擊750發彈,從射擊發數分析,火炮身管內膛起始部位磨損及燒蝕是正常的,2 300 mm以后陽線完整,不會影響后期的膛內曲線測試。

1.4 過載測試因素分析

加速度計用于彈丸膛內和膛外過載測試,是常用的方法和手段,技術相對成熟。

根據加速度計測量原理[5],在彈炮磕碰發生瞬時,無論是軸向還是橫向,首先必然產生一定幅度的負向(向下)加速度,而后將產生接近同等幅度向上回振的正向加速度,這種階躍具有近似等幅性和高頻率等特性。

1號和3號黑匣子測試數據反映的彈炮磕碰力度和曲線波形上下階躍幅度都是正常的,而2號黑匣子數據反映的高頻階躍不等幅是不正常的。從加速度計測量方面分析,2號黑匣子出現的這種高頻階躍不等幅現象是加速度計測量系統中某個接插件在彈炮磕碰瞬間發生松動移位而在回振時刻又瞬時歸位產生的脈沖干擾造成的。其它產品膛內過載測試曲線也有類似的現象。

綜上所述,產生膛內過載測試曲線異常不是發射裝藥、彈丸在膛內運動及火炮身管本身等因素造成的,是彈丸運動到半約束期前期與火炮磕碰,造成信號干擾,引起加速度計測試峰值過大。

2 彈藥安全性仿真分析

在分析基礎上,考慮可能出現的極端條件,開展了試驗室模擬試驗及仿真分析等方面的工作。

2.1 引信試驗室等效模擬試驗

為了摸清膛內如果存在瞬時較大的過載對引信的影響,進行了極端條件下實驗室等效模擬試驗。

等效模擬試驗在引信專用錘擊試驗機進行。按照測試曲線上的最大過載峰值,軸向錘擊過載17 000g(正常產品15 400g)、橫向錘擊過載5 000g。

試驗結果表明,引信總體及各零件能夠適應膛內可能出現的極端發射環境。

2.2 彈丸結構強度仿真分析

2.2.1 計算模型

為了了解加速度峰值達到16 900g時,對彈丸的結構強度和發射安全性的影響,計算采用ANSYS瞬態有限元分析軟件,產品結構見圖9。

圖9 計算模型結構圖

由于所有結構具有軸對稱的特征,載荷也是軸對稱的,將彈丸視為軸對稱問題可使問題簡化。圖9為其計算模型結構圖。單元和節點數目如表1所示。

表1 零件材料與網格劃分參數

2.2.2 載荷

計算中單位制采用cm-g-ms,計算結果應力等值圖中的數值除以10后單位即為MPa。計算用火藥氣體最大膛壓分別為420 MPa(相當于加速度16 900g)、380 MPa(設計的最大壓力)。計算載荷分布見圖10。

圖10 計算載荷分布圖

2.2.3 計算結果

全彈、彈體、增程殼體、炸藥裝藥、底螺等部件的各向應力分布圖如圖11～圖14所示。各部件各向應力的最大值如表2所示。

增程殼體材料的屈服應力為1 100 MPa,計算壓力為420 MPa時,接近屈服應力區域基本涵蓋了兩彈帶間部分,且已貫穿增程殼體內外壁,其等效應力最大值為1 073 MPa;計算壓力為380 MPa時,接近屈服應力區域限于兩彈帶間殼體部分的內部,未貫穿增程殼體內外壁,其等效應力最大值為1 033 MPa。各部件等效應力分布見圖11～圖14。

圖11 增程殼體等效應力分布

圖12 全彈等效應力分布

表2 各部件各向應力的最大值比較 (單位：MPa)

圖13 彈體等效應力分布

圖14 炸藥裝藥等效應力分布

加速度峰值達到16 900g時極端條件下的有限元仿真結果表明,該產品的結構強度和裝藥安定性都在設計許可范圍內。

3 結論

根據對火炮內膛檢測、發射裝藥及彈丸膛內運動及過載測試分析,產生膛內過載測試曲線異常現象是彈丸運動到半約束期前期與火炮正常磕碰,造成信號干擾,引起測試峰值異常[6]。

為了摸清可能出現的極端環境條件下該彈的承受能力,進行了引信試驗室等效模擬試驗,對彈丸進行了結構強度仿真分析。結果表明,即使按照可能出現的極端條件,該彈的結構強度仍在設計許可范圍內,產品發射時是安全的。

[1] 華東工程學院一○三教研室.內彈道學 [M].南京:華東工程學院,1974:121-123.

[2] 彈藥技術叢書編輯部.榴彈設計與制造實踐 [M].北京:北京理工大學出版社,1999:78-80.

[3] 魏惠之,朱鶴松,汪東輝,等.彈丸設計理論 [M].北京:國防工業出版社,1985:105-106.

[4] 郭錫福,申國太.彈丸發射動力學 [M].北京:兵器工業出版社,1995:98-100.

[5] 柳斌,肖劍,郭亞龍,等.大口徑火炮彈丸膛內參數測量方法研究 [J].彈箭與制導學報,2010,30(1):167-172.

[6] 劉佳,郭保全.彈丸膛內運動姿態動力學仿真 [J].四川兵工學報,2011,32(9):15-18.

TheAbnormalPhenomenonofOverloadinBoreTestCurveAnalysisandSafetyAssessment

ZHOU Jiasheng1,YANG Ying2,XIE Fei2,CAO Chengzhuang2,QU Fanjun2,WU Jing2

(1 Military Representative Office of Nary Ammunition in Shenyang Area,Shenyang 110045,China; 2 Liaoshen Industries Group Co.Ltd,Shenyang 110045,China)

A product with a fuze fault experienced bore acceleration test,it was found that near the muzzle appears test high-frequency step-curve phenomenon.The development department made analysis on interior ballistic projectile design and acceleration test,laboratory simulation test and equivalent strength simulation analysis of missile structure were done in consideration of safety.The results show that:bore overload curve anomalies are not caused by interior ballistic charge structure,according to analysis,projectile collision with artillery in preliminary of semi-confinement period causes signal interference,result in higher test peak.Equivalent simulation test of test chamber and simulation analysis of structure strength and launch safety of projectile results show that the missile is still in the range of calculation under extreme conditions.It can be said when launching the product is safe.

acceleration in bore; peak anomaly; analysis

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.036

2016-09-02

周家勝(1968-),男,遼寧丹東人,高級工程師,碩士,研究方向:彈藥工程。

TJ413.4

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