邱榮劍

(山西省太原市10號信箱　太原　030027)

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制導(dǎo)炮彈滑動(dòng)彈帶強(qiáng)度改進(jìn)設(shè)計(jì)*

邱榮劍

(山西省太原市10號信箱太原030027)

某尾翼穩(wěn)定制導(dǎo)炮彈采用由彈帶座和銅帶構(gòu)成的滑動(dòng)彈帶，針對該滑動(dòng)彈帶在炮彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中暴露的彈帶座劃膛問題，采用ANASYS對其設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析，通過仿真找出了彈帶座強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的滑動(dòng)彈帶經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證其強(qiáng)度滿足要求。

制導(dǎo)炮彈; 滑動(dòng)彈帶; 強(qiáng)度; 改進(jìn)

Class NumberTJ413

1　引言

彈丸在由線膛火炮發(fā)射時(shí),因彈帶嵌入纏角較大的火炮膛線而帶動(dòng)彈丸高速旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)彈丸陀螺穩(wěn)定。然而對于采用尾翼穩(wěn)定的炮射導(dǎo)彈和制導(dǎo)炮彈不需要彈丸的高速旋轉(zhuǎn),因此在由線膛火炮發(fā)射時(shí)都采用滑動(dòng)彈帶以帶動(dòng)彈丸微旋[1,2]?；瑒?dòng)彈帶由彈帶環(huán)和鑲嵌在彈帶環(huán)上的導(dǎo)帶組成,在發(fā)射時(shí)嵌入膛線的滑動(dòng)彈帶仍作高速旋轉(zhuǎn),彈體只是在滑動(dòng)彈帶的摩擦力矩的作用下微微旋轉(zhuǎn)。大口徑線膛炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定制導(dǎo)炮彈的技術(shù)關(guān)鍵之一是滑動(dòng)式彈帶設(shè)計(jì),國內(nèi)外均較重視,都研制和裝備了一些加滑動(dòng)式塑料彈帶的炮彈[3～5]。本文根據(jù)某制導(dǎo)炮彈滑動(dòng)彈帶在試驗(yàn)中出現(xiàn)強(qiáng)度不足的問題，采用ANASYS對滑動(dòng)彈帶進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足，并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，最后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的滑動(dòng)彈帶強(qiáng)度滿足要求。

2　問題描述

某尾翼穩(wěn)定遠(yuǎn)程制導(dǎo)炮彈采用滑動(dòng)彈帶，彈帶由圓型彈帶座和銅帶組成，彈帶座如圖1所示。在該炮彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，從回收的彈體中發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)彈帶的彈帶座表面留有一定深度的印痕，如圖2所示。從印痕的大小和形狀可以判定是彈帶座與火炮膛線摩擦導(dǎo)致，由此可以判定在發(fā)射過程中，滑動(dòng)彈帶在綜合受力情況下，彈帶座出現(xiàn)變形，導(dǎo)致彈帶座蹭到火炮膛線，彈帶座強(qiáng)度存在不足。

3　原因分析

3.1建立仿真模型

選用ANSYS軟件對彈帶座進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，根據(jù)滑動(dòng)彈帶在制導(dǎo)炮彈上的裝配位置，創(chuàng)建仿真模型如圖3所示，彈帶座的左端面頂在模擬噴管座上，彈帶嵌入模擬炮管中。彈帶座和模擬炮管之間有0.25mm的間隙。首先確定各零件的材料屬性，材料屬性列表如表1所示；然后將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中靜態(tài)強(qiáng)度分析模塊，設(shè)置材料屬性、畫網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件和零件間的接觸關(guān)系；最后對模型施加預(yù)定的載荷，設(shè)置時(shí)間步進(jìn)行求解[6～10]。在創(chuàng)建仿真模型時(shí)，由于彈帶座是軸對稱結(jié)構(gòu)，所受膛壓也是軸對稱的，其應(yīng)力和變形必然也是軸對稱的，所以為了加快仿真進(jìn)程，取1/4模型進(jìn)行仿真分析[9]。

圖2　回收的彈帶座

圖3　仿真模型

零件所用材料彈性模量(pa)泊松比屈服強(qiáng)度(Mpa)抗拉極限(Mpa)彈帶座35CrMnSi2e110.315511650彈帶紫銅1.08e110.3460

固定模擬炮管和模擬噴管座，在彈帶座上施加最大為300Mpa的膛壓，壓力作用面如圖4所示，彈帶座的內(nèi)圓柱面、后端面、外圓柱面的一部分作用有300Mpa的膛壓，彈帶座的前端面被噴管座頂住。彈帶座的外圓柱面的前端由于彈帶的閉氣作用不受壓力作用，由于彈帶座和彈帶的綁定接觸，彈帶相當(dāng)于彈帶座的一個(gè)可變形的支撐。由以上彈帶座的約束和加載特點(diǎn)可知，彈帶座的受力相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁的受力，彈帶座的后端相當(dāng)于固定端。

圖4　壓力作用面

3.2仿真結(jié)果

在300Mpa壓力下，彈帶座所受應(yīng)力及徑向變形情況如圖5和圖6所示。由圖5可知，彈帶座局部區(qū)域應(yīng)力超出了屈服極限，由圖6可知，彈帶座徑向變形前端面最大為0.28mm，超出了0.25mm，說明彈帶座該處強(qiáng)度不足，由于變形大導(dǎo)致劃膛。

圖5　彈帶座應(yīng)力

圖6　彈帶座徑向變形

4　改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

4.1改進(jìn)設(shè)計(jì)

由前面的仿真結(jié)果可知，彈帶座主要是靠近彈頭部部分強(qiáng)度不足，導(dǎo)致該部分產(chǎn)生較大變形。從受力分析可知：1)彈帶座壁厚越大，越不易產(chǎn)生徑向變形；2)彈帶變形對彈帶座變形有一定的影響；3)可增大噴管座和彈帶座前端面的接觸面積，增大摩擦力，可減小彈帶座的徑向變形。為了提高彈帶座的強(qiáng)度，在確保不影響全彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，綜合考慮各影響因素，對彈帶座薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行局部加厚，改進(jìn)后的彈帶座如圖7所示。

4.2仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

對改進(jìn)后的滑動(dòng)彈帶進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，在300Mpa壓力下，彈帶座的應(yīng)力及座徑向變形情況如圖8和圖9所示。由圖8可知，彈帶座應(yīng)力未超出屈服極限，由圖9可知，彈帶座最大徑向變形發(fā)生在前端面，最大為0.13mm，小于0.25mm，沒有超過彈帶座與火炮陽線的間距，彈帶座不會(huì)劃膛。對改進(jìn)后的滑動(dòng)彈帶進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，回收的滑動(dòng)彈帶座完好無劃痕，其強(qiáng)度滿足要求。

圖7　改進(jìn)后彈帶座

圖8　模型應(yīng)力圖

圖9　彈帶座徑向變形

5　結(jié)語

針對制導(dǎo)炮彈滑動(dòng)彈帶彈帶座強(qiáng)度不足問題，根據(jù)彈帶座的受力特點(diǎn)，對彈帶座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，增加了壁厚，增大了與噴管座之間的接觸面積。改進(jìn)前后受力分析及試驗(yàn)驗(yàn)證對比如表2所示。由表2可知，彈帶座的結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度得到了很大改善。改進(jìn)前彈帶座有塑性變形，改進(jìn)后則沒有；改進(jìn)前彈帶座前端徑向變形量過大導(dǎo)致劃膛，改進(jìn)后彈帶座前端徑向變形量大大減小，劃膛現(xiàn)象消失，強(qiáng)度滿足發(fā)射要求。

表2　彈帶座改進(jìn)前后性能對比

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[10] 張朝暉.ANSYS12結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:37-92.

Improved Design of Guided Shell’s Sliding Belt

QIU Rongjian

(Box 10, Taiyuan City, Shanxi Province, Taiyuan030027)

A fin-stabilized guided shell uses sliding belt which composed of belt seat and copper belt. In order to solve the problem of insufficient strength of the belt seat, ANASYS is used to simulate and analyze its’ design strength, the simulation result finds out the weak links with strength design, and the design of belt seat is improved. Through simulation and experiment, the improved sliding belt meets the requirements.

guided shell, sliding belt, strength, improvement

2016年4月5日,

2016年5月24日

邱榮劍，男，碩士研究生，工程師，研究方向：艦炮信息化彈藥。

TJ413

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.043