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超高射频串联发射弹组有限元分析

发布于:2018-07-15 21:55
有限元分析

      超高射频串联发射采用弹丸串联装填发射,对发射装置结构要求较高,既要求弹丸与炮膛之间有良好的密封作用,又要求弹丸之间要有很好的定位性能。先前申越等。对弹丸进行结构设计及有限元分析,但未考虑弹丸的定位和启动压力,且只对单发弹丸进行了有限元分析。本研究在分析超高射频串联发射整体结构的基础上,从密封、定位和启动压力等考虑对弹丸结构进行设计,并对两发串联弹组及连接处进行了有限元模型的建立和仿真分析。
      超高射频串联发射弹组结构如图所示。射击时,第1发弹的底火被点燃,当膛内压力达到一定值即启动压力时,第1发弹与后1发弹在连接处的尾翼位置断开,开始在炮膛内运动,而后几发弹要共同承受第1发弹发射时膛内压力的作用,膛内压力经弹组依次向后转移,最终这种作用被转移到后膛密封体上。随着底火被逐个点燃,对应的弹丸一次次被发射出去。在整个发射过程中,后膛密封体处于多次受力状态,且始终要保持密封状态。
      针对超高射频串联发射上述结构特点,弹丸设计应满足以下要求:弹丸和弹丸、弹丸和炮膛之间要求紧密配合;保证前1发弹和后1发弹之间的药室初容积大小一致;弹丸串联后的支撑部分应有足够强度,在膛压作用下确保不发生大变形或破损;保证两发弹之间的连接固定,即有一定的启动压力;密封性良好,保证前1发弹在发射过程中药室的高温高压气体不会泄露到后1发弹的药室中。
      结合上述要求,图给出了弹丸的三维结构示意图。弹体也是密封体,局部充当金属密封,其上的环形槽内装有密封圈,与弹体共同作用,密封高温高压火药气体。
      装填时,前1发弹丸后端支撑杆和后1发弹丸前端支撑杆相接触,并用尾翼加以配合连接固定,构成两发串联弹组。两发串联弹组之间的容积即为前1发弹丸的药室容积,药室上对应相应的底火,而药室内的连接部分即为两发串联弹组的支撑部分。发射时,只有前1发弹丸膛内压力达到预定的启动压力时,才会和后1发弹丸在尾翼配合连接处断开,开始在炮膛内运动,同时串联弹组的支撑部分将承受来自前方炮膛压力的多次冲击。如果串联弹组的支撑部分发生变形或破损,有可能引起后续弹组的后移,造成药室与底火错位,进而影响整个系统的发射过程。由此可以看出研究串联弹组支撑部分的强度和变形问题是十分必要的。
      根据弹丸结构特点,建立了两发串联弹组的有限元仿真分析模型。为了分析在药室压力作用下后两弹丸之间支撑部分的强度和变形问题,特提出以下假设:由于膛内压力很大,且弹丸受力时间极短,故不考虑两发弹丸之间药室内所装药对其强度的影响;由于弹丸前端受力将传递给后面弹丸的支撑部分,故忽略弹体本身在压力作用下的形变问题,建模时可以不考虑弹体上的环形槽以简化分析体网格的建立;由于重点分析的是弹丸之间支撑部分,尾翼的形状对其分析基本影响不大,故将支撑部分处尾翼简化成一圆柱环,后1发弹的尾翼略去;由于弹丸具有规则的轴对称形状,为了减少工作量、提高模型的分析速度,只分析四分之一弹体;不考虑弹体动态问题的惯性效应和应力波效应,将问题等效为准静态问题来处理。
      为了使分析更接近实际,这里分析发射3发串联弹组的情况,此时,仅需要考虑后两发串联弹组连接处在第1发对应药室压力下的受力情况。图是最大压力载荷取值曲线,该曲线选取试验过程中单发射击时的膛压测试曲线。考虑到真实发射时射频至少在每分钟万发以上,弹丸在炮膛内存在后效期耦合,为了更好地研究后两发串联弹组的强度变形,这里只研究后两发串联弹组在最大载荷作用时的情况。
      通过在ABAQUS中仿真计算,图给出了后两发串联弹组在最大载荷作用时的轴向变形云图。从图中可以看出后两发串联弹组的轴向最大变形量为-1.380 mm,该变形量与弹丸本身的尺寸相比很小,且尾翼的最大变形量为-0.88mm,也不会影响弹丸之间的连接。故该变形对整个弹丸列在膛内的位置影响并不大,符合设计要求。


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