大口徑艦炮抽殼性能的影響因素研究

李 翔，沈 劍，陳國光，田曉麗，付彩越

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

0 引 言

大口徑艦炮炮閂系統中的抽殼機構主要作用是抽出發射后留在炮膛內的藥筒，艦炮抽殼性能的好壞直接影響著抽殼過程及后續的炮彈進膛[1]。在眾多影響抽殼力的發射因素中，藥筒的閉氣性能和貼膛時間是影響艦炮抽殼的關鍵因素。

吳志林等[2]采用應變式測力傳感器測量出鋼藥筒抽殼力隨時間變化的規律，實驗得出膛壓峰值增大時，抽殼時過盈量增大，抽殼力提高；膛內溫升帶來藥筒與內膛初始間隙增加,使得抽殼力有一定程度的降低。衛豐等[3]分別采用軸對稱和三維有限元計算模型，計算藥筒的發射應力和抽殼力，討論了初始間隙等因素對發射應力和抽殼力的影響。康艷祥等[4]用理論和仿真數據相結合分析了初始間隙和彈膛壁厚對抽殼力的影響，得到初始間隙、彈膛壁厚、摩擦系數與抽殼力之間的關系。譚波等[1]對艦炮抽殼機構進行有限元動力學仿真，分析抽筒模板下移和抽筒左右位置變化對抽殼的影響。

本文在前人研究基礎之上，通過理論和仿真結合的研究方法，分析不同膛壓上升速率下藥筒貼膛的時間差異；分析不同工作溫度下卸載后藥筒與身管接觸面殘余正壓力的分布情況，研究貼膛時間與殘余正壓力對于艦炮抽殼性能的影響。

1 藥筒發射過程理論分析模型

1.1 有限元計算理論模型

艦炮發射后的抽殼過程是一個包含彈塑性變形、接觸、摩擦等復雜因素的瞬態動力學過程,各個零件的相互作用非常復雜。藥筒和身管配合后的3/4 剖切模型如圖1 所示。

圖 1 藥筒與身管模型Fig.1 Cartridge and barrel models

根據變分原理，可推導出彈塑性的有限元求解方程為[5]：

式中， s0表 示藥筒或身管的表面， { W}表示體積力密度， {?qi}表示藥筒或身管表面所承受的面積力密度，{pi}表示集中力。

1.2 影響抽殼性能的因素分析

影響艦炮抽殼性能的因素包括：彈殼的材料和機械性能、初始間隙、最大膛壓、彈膛壁厚、彈殼與彈膛的摩擦系數、抽殼時機等[6]。本文重點研究不同膛壓及貼膛時間對艦炮抽殼性能的影響。

在同樣的藥筒、身管尺寸（間隔）、公差、最大膛壓下，膛內壓力早期上升率降低，藥筒貼膛不及時，造成藥筒、身管之間在內彈道早期就存在高壓燃氣，可表述如圖2 所示。

圖 2 有無泄氣下的壓力分布對比Fig.2 Pressure distribution with or without leakage

圖中p 為膛壓，p1為泄入間隙中的高溫燃氣壓強。p1的存在導致藥筒口部徑向載荷降低，影響貼膛過程時間，降低了貼膛接觸應力。p1的量值及其隨位置的分布有很強的隨機性，p1的存在會導致藥筒部分區域無法貼膛，一般情況存在0≤p1≤p。無法定量計算p1，可通過定性分析靠近藥筒口部位置壓強的分布如圖3 所示。

圖 3 泄氣后藥筒口部位置壓力分布Fig.3 Pressure distribution on top of cartridge after leakage

因為p1抵消了部分p 對藥筒的作用，導致口部貼膛時間延遲。口部部分區域隨機性導致藥筒口部卸載后的殘余接觸應力失去或減少，影響口部材料與身管貼合，不產生或者產生較小的退殼力，不能滿足退殼要求。因此需要著重研究膛壓升速對于藥筒貼膛的影響，而貼膛直接影響最終的抽殼過程。

2 有限元計算前處理

2.1 CCAE 藥筒有限元分析軟件

CCAE（Cartridge Computer Aided Engineering）藥筒有限元軟件系統是2017 年由中北大學智能彈藥中心在可視化的Windows 平臺上開發的面向藥筒發射強度問題的軟件組。CCAE 軟件針對現代藥筒設計過程中藥筒與身管之間互相接觸的復雜非線性問題進行定量的分析計算。CCAE 藥筒有限元軟件的主要功能如下：

1）軟件自動與CAD 作圖軟件SolidWorks 連接，實現了幾何模型的智能獲取。

2）可實現模型的智能網格劃分，生成高質量的四邊形為主體，混有少量三角形單元的混合網格，模型邊界處全為四邊形單元，貼體良好。

3）可實現受約束、載荷、接觸單元的自動識別，自動加載。

4）可實現求解時間的自動調整，使求解在較短的時間內完成。

5）可直接從求解結果中獲取退殼力大小。

6）可求解藥筒厚度、藥筒身管間隙及材料性能與退殼力之間的關系，為藥筒設計提供幫助。

7）區域材料定義具有可繼承性，方便用戶建立有限元模型。

CCAE 藥筒有限元軟件運行后的主界面如圖4 所示。

2.2 計算模型

2.2.1 材料模型

對于藥筒發射過程的仿真分析是在理想、正常的狀態下進行的。在建立材料模型時遵循以下3 點：

圖 4 CCAE 藥筒有限元軟件主界面Fig.4 CCAE interface

1）藥筒包含3 個材料區，每個區域內材料具有一致性。身管整體采用同一種材料；

2）身管材料為線彈性，即材料應力應變呈線性關系，外載荷去除后材料的變形可全部恢復；

3）藥筒材料為雙線性模型。該模型是通過2 個直線段來模擬彈塑性材料的本構關系，在彈性階段和塑性階段都為線性的材料，2 條直線的交點即為應力屈服點。

藥筒與身管的材料參數如表1 所示。

表 1 材料力學性能參數表Tab.1 Material mechanical parameters table

2.2.2 膛壓升速曲線

藥筒口部貼膛時間與膛壓上升速率有一定的關系。為了分析貼膛時間與膛壓上升速率之間的關系，在假設藥筒閉氣可靠的前提下，初始膛壓限制為30 MPa，膛壓加載時間分別選取0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.4 ms、0.5 ms，組成不同的膛壓上升速率曲線，如圖5 所示。通過仿真計算結果分析藥筒口部貼膛時間與膛壓上升速率的關系。

2.2.3 不同溫度下的膛壓曲線

計算中選取了高溫、常溫、低溫3 種工作溫度下的膛壓曲線，通過分析卸載一段時間后的藥筒身管接觸面殘余應力來計算最終的抽殼力。不同溫度下的膛壓曲線如圖6 所示。

圖 5 膛壓升速曲線Fig.5 Gun pressure rising-speed curve

圖 6 膛壓曲線Fig.6 Gun pressure curve

2.2.4 有限元模型

考慮到藥筒、身管的結構和載荷對稱性，在保證計算精度的前提下，為了降低計算時間，建立藥筒與身管有限元對稱面模型。在CCAE 軟件中按照結構、材料特點對身管和藥筒劃分多個區域，然后對每一區域進行網格劃分。網格劃分完成后如圖7 所示。

圖 7 CCAE 軟件前處理結束后藥筒網格分區Fig.7 Mesh of cartridge after CCAE preset

3 計算結果

3.1 不同膛壓升速下的計算結果

圖 8 膛壓升速和藥筒貼膛時間的關系曲線Fig.8 Relation between gun pressure rising-speed and bore nestling time

通過仿真計算，得到不同膛壓升速下對應的藥筒口部貼膛時間和貼膛壓力關系曲線如圖8 所示。

通過分析計算結果可以發現，藥筒口部的貼膛時間隨著膛壓升速的增大而縮短。

3.2 不同膛壓曲線下的抽殼力計算結果

圖6 所示膛壓曲線為輸入載荷，通過分析計算，可知卸載后藥筒上殘余正壓力沿軸向的分布情況。不同工作溫度下殘余正壓力分布如圖9 所示。

圖 9 殘余正壓力分布曲線Fig.9 Remain positive pressure distribution curve

取摩擦系數為0.1，計算出不同溫度下的抽殼力如表2 所示。

通過計算可以發現，卸載后藥筒上殘余正壓力沿軸向主要分布在藥筒口部和斜肩部。并且殘余正壓力隨著溫度的升高而增大。其中藥筒口部的殘余正壓力所占比例較高。

4 結 語

通過對大口徑艦炮發射過程的進行理論分析、有限元計算仿真后發現，藥筒口部貼膛的時間是影響抽殼力大小的重要因素之一。因此，在藥筒的設計中，應當通過組件結構調整初始內彈道特征參數方法來改進閉氣性，改善貼膛性能。本文結論如下：

1）通過對高溫、常溫、低溫下藥筒的發射過程進行有限元分析，得到不同工況下藥筒在實際膛壓曲線下的貼膛時間；

2）分析計算5 種膛壓上升速率與對應的藥筒口部貼膛時間關系，得到藥筒口部的貼膛時間隨著膛壓升速的增大而縮短。如果藥筒口部有漏氣現象存在，藥筒口部無法順利貼膛。

因此，在藥筒點火藥裝藥設計中應恰當選擇點火藥的加載曲線，確保藥筒口部能夠在火藥燃氣出藥筒口部之前及時貼膛，從而順利抽殼。