底排彈動態特性及發射強度有限元分析

賈曉玲

(武警工程大學 裝備管理與保障學院，陜西 西安 710086)

0 引言

底排彈發射時，由于彈丸在膛內運動受到各種載荷的作用，各零部件會發生不同程度的變形，當變形超過一定允許程度時會影響底排彈沿炮膛正確的運動，嚴重時會使底排彈在膛內受阻，或底排彈零件發生破裂甚至炸藥被引爆等而發生膛炸事故。為了預防這些情況發生，有必要對底排彈進行發射強度分析。底排彈出炮口后，其固有頻率與其飛行環境中的載荷頻率接近時，將威脅彈丸的彈道安全性和飛行穩定性，嚴重情況下底排彈將碎裂。因此底排彈固有頻率的研究分析十分必要[1]，這些參數可用于(重)設計過程，優化彈丸系統的動態特性。有限元分析方法作為一種強有力的數值計算方法,具有數據運算速度快、分析成本低、計算精度高、模型修改較方便等優點，廣泛應用于國防工業領域[2-6]。本文運用ANSYS有限元分析軟件對某底排彈進行了動態特性和發射強度計算，以校核彈丸的整體性能。

1 底排彈動態特性分析

1.1 底排彈有限元模型建立

某型號底排彈整體結構如圖1所示，主要包括底排裝藥、底排殼體、彈帶、主裝藥、彈體、引信等部件。

1-擋板;2-底排裝藥;3-底排殼體;4-彈帶;5-主裝藥;6-彈體;7-引信圖1 底排彈整體結構

在底排彈的動態特性有限元分析中，主裝藥和底排裝藥相對于彈體和底排殼體來說屬于柔性體，且擋板相對于底排殼體來說體積較小，故可以作合理簡化。簡化工作主要是用彈體和底排殼體的假密度[7]模擬底排彈的內部裝藥和擋板，采用此種方式可大大降低有限元模型的復雜度，同時能夠保證足夠的計算精度。對模型進行網格劃分時單元類型選用Solid185單元，計算時底排彈分析模型各部分材料特性如表1所示。底排彈有限元模型如圖2所示。

表1 底排彈分析模型材料參數

圖2 底排彈有限元模型

1.2 計算結果分析

底排彈的前3階固有頻率如表2所示，對應振型圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 底排彈第1階頻率及振型

圖4 底排彈第2階頻率及振型

圖5 底排彈第3階頻率及振型

表2 底排彈前3階固有頻率

由仿真結果可知，底排彈前3階固有頻率數值較大，在彈丸發射及飛行過程中不易引起共振而破壞失能，整體動態特性良好。

2 底排彈發射強度分析

針對底排彈發射強度分析，傳統方法如布林克法在計算時的簡化力學模型與實際結構相差較遠，尤其是在彈尾區域計算的應力有較大誤差；彈塑性法則只計算了個別斷面的內表面(或外表面)處的應力狀態，對整個彈體上應力分布情況缺乏系統驗證，對強度不足零件的改進設計缺乏指導作用；而有限元法可有效避免以上缺點。火藥氣體壓力隨時間變化曲線如圖6所示，彈丸發射時最大膛壓為300 MPa，以面力施加到圖7所示的彈底區域，計算時采用1/4模型。

圖6 火藥氣體壓力p隨時間變化曲線 圖7 彈底壓力分布

2.1 有限元模型建立

圖8～圖11分別為全備彈、彈體、彈帶和底排殼體的有限元模型，單元類型選擇Soild brick 8 node 185單元，單元形狀為四面體。材料屬性按照表1內數據定義。

圖8 全備彈有限元模型

圖9 彈體有限元模型

圖10 彈帶有限元模型

圖11 底排殼體有限元模型

2.2 計算結果分析

(1) 全備彈等效應力云圖、應變云圖分別如圖12和圖13所示。由仿真結果可得，底排彈上最大應力值為729 MPa，出現在彈底內壁的邊緣上，同時在彈丸相同部位的應變也最大。這是因為彈丸在發射過程中，軸向被壓縮，徑向被墩粗，而炸藥、彈體、彈帶組成材料均不相同，并且這三種材料的彈性模量相差較大。因此產生的變形趨勢也不一樣，從而就會導致這三個部件相互擠壓，在接觸面上產生較大的應力。

圖12 全備彈等效應力云圖

圖13 全備彈等效應變云圖

(2) 彈體等效應力云圖如圖14所示。由仿真結果可得，彈體上最大應力為601 MPa。底排彈的材料是合金鋼,合金鋼的許用應力為1 000 MPa，因此彈體發射強度滿足要求。

圖14 彈體等效應力云圖

(3) 彈帶等效應力云圖如圖15所示。由仿真結果可得，彈帶上的最大應力為225 MPa，最大應力出現在彈帶燕尾槽的尖部，此處如果采用圓角結構能夠有效地減少應力集中。彈帶材料是紫銅，紫銅的屈服極限為240 MPa，彈帶在發射過程中會產生一定的塑性變形，但不會發生損壞現象。由于彈帶在發射過程中需嵌入身管膛線從而賦予彈丸一定轉速，故允許發生一定量塑性變形，因此彈帶的強度滿足發射強度要求。

圖15 彈帶等效應力云圖

(4) 底排殼體等效應力云圖如圖16所示。由仿真結果可得，底排殼體上最大應力為150 MPa，底排彈底排殼體的材料是合金鋼,合金鋼的許用應力為1 000 MPa，因此底排殼體發射強度滿足要求。

圖16 底排殼體等效應力云圖

3 結論

(1) 對底排彈有限元模型進行動態特性分析后得出了彈丸的前3階固有頻率及其對應的振型，仿真結果表明底排彈長徑比合理，整體動態特性良好，可有效規避飛行過程中因共振現象而引起的結構顫震等不穩定現象。

(2) 底排彈在發射時(最大膛壓)總體及關鍵部位彈體、彈帶、底排殼體上的最大應力分別為729 MPa、601 MPa、225 MPa、150 MPa，均小于其材料許用應力，表明彈丸在發射過程中總體滿足發射強度要求。