巫志偉,趙雄飛,霍永清,蘇精明

(重慶嘉陵特種裝備有限公司,重慶 400000)

0 引言

槍彈耦合指彈丸在發(fā)射過程中彈丸與身管相互作用,彈丸在高溫高壓燃氣作用下,彈帶擠進膛線,彈丸繞身管軸線高速旋轉,并與身管內壁發(fā)生接觸碰撞,造成身管的彈性振動和彈丸的膛內運動兩者相互耦合并影響槍彈的射擊精度。該耦合作用受彈丸結構參數(shù)、質量特征和槍管結構參數(shù)等方面影響。目前傳統(tǒng)槍彈設計領域中,針對槍彈匹配運動特性缺乏理論基礎,彈丸結構、彈丸質量偏心、身管結構等對槍彈耦合的影響[1-8]尚未深入,只能靠經(jīng)驗和多方案加工對比試驗,但實際加工過程中,受車床加工精度和人為測量精度影響,實際加工彈丸質量特征與理論設計彈丸質量特征差異性較大,實際加工彈丸存在的加工誤差如質量偏心、彈體不同軸等結構誤差。Silton[9]利用CFD軟件對旋轉彈丸在不同初速下的氣動特性進行了模擬;李建中等[10]分析了火炮彈丸的質量偏心對炮彈發(fā)射時的初始擾動的影響;Albert等[11]研究了彈丸實際加工后其外形不對稱時該彈丸的彈形系數(shù)的影響。因此,針對小口徑彈丸實際射擊過程中由于質量偏心造成的槍口振動及彈丸管內運動特性亟需開展研究,該槍彈耦合所引起的槍口振動和彈丸運動直接影響槍彈的射擊精度。

本研究中以12.7 mm口徑槍彈作為研究對象,研究彈丸加工后的質量偏差對射擊過程中槍口振動位移量和彈丸膛內運動特性。為了真實模擬彈丸在槍管內的受力變形和槍管振動,采用多體系統(tǒng)動力學的方法對槍彈射擊過程槍管和彈丸的運動變形進行仿真分析。本文利用ANSYS與ADAMS之間的雙向數(shù)據(jù)接口,建立真實映射發(fā)射過程槍彈運動的動力學特征的數(shù)學模型,利用數(shù)值方法模擬發(fā)射的整個過程,合理選取求解器求解出彈丸的運動變化規(guī)律和槍口受力變形導致的位移振幅,進而為槍彈設計過程中的精度控制研究提供一定的參考。

1 基本假設

彈丸擠進過程從彈丸前端面與槍管倒角剛好接觸開始。由于彈丸彈帶直徑大于槍管內徑,當彈丸向前運動時,隨著擠進過程的加劇,槍管材料處于屈服或流動狀態(tài),被逐漸推到后方,接觸面積將逐漸增大,陽線會在彈體表面留下刻痕[12-13]。在計算彈丸擠進過程中,作以下假設:

1) 彈丸與坡膛之間應力保持不變,在擠進條件下,變形的應力為材料屈服極限值σf;

2) 擠進力的變化是由接觸面引起的;

3) 本文研究的彈丸體最大直徑超過陰線直徑,彈丸與陰線、陽線及陽線導轉側的表面都存在相互作用,陽線將彈丸被甲材料擠入陰線,使整個彈膛截面被填滿,保證火藥燃氣不往外泄露。整個過程中,擠進阻力隨著擠進逐漸升高;

4) 將彈丸頭部與坡膛接觸點和彈丸圓柱部前端簡化為斜坡面,對彈丸尾端不作處理。

2 槍彈耦合模型建立

采用UG軟件完成三維建模,輸出X-T文件后將模型導入ABAQUS軟件中;在ABAQUS軟件內設置各零部件材料參數(shù)、質量特性、耦合作用關系和載荷作用后,進行網(wǎng)格劃分,明確邊界條件設置和輸出參數(shù),完成計算。其分析過程步驟如圖1所示。

圖1 仿真分析流程圖

本研究以12.7 mm彈丸和槍管作為仿真計算模型,其模型如圖2所示。

圖2 槍管彈丸相互作用有限元模型

槍管材料為30CrMnMoTiA,彈丸材料為H90銅,各部分的材料參數(shù)[14]如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2.1 工作載荷

為了真實模擬彈丸在發(fā)射過程中由于彈丸質量偏心,考慮了槍械其他部件對槍管的作用力,根據(jù)實際射擊狀況對槍管施加合理邊界條件,其槍管外載荷和約束如圖3所示。

圖3 槍管上施加的外載荷與約束

槍彈射擊過程中,彈丸底部受高溫高壓燃氣推力作用,擠進槍管膛線彈帶受理變形使彈丸獲得旋轉速度,為了真實映射彈丸的擠進過程及在膛內運動特性,對彈丸施加火藥燃氣在膛內的壓力載荷,彈丸受理模型如圖4所示。

圖4 彈丸上施加的火藥燃氣壓力載荷

圖5 槍管模型

2.2 求解器的選擇

ABAQUS軟件中具有Standar求解器和Explicit求解器[15],其中Standar求解器適于模擬靜態(tài)、準靜態(tài)的各種非線性問題,

但針對復雜的耦合計算問題,由于計算難度大迭代次數(shù)多,其計算時往往不易收斂導致計算失敗。

Explicit求解器適用于模擬高度非線性動力學分析、完全耦合瞬態(tài)-位移分析,可以更好地計算槍彈發(fā)射過程中槍口位移變化、槍彈間的磨損、槍彈熱交換和彈丸的膛內運動,這涉及多學科的耦合作用,求解器需在計算非線性問題方面具有處理復雜的塑性應變的能力,因此本文采用Explicit求解器來模擬計算。

2.3 網(wǎng)格的劃分

為較好地模擬計算槍口振動位移變化,得到精準的動力學應力應變分析結果,保證模擬計算精度用于真實映射實際射擊狀況,本文對槍管采用柔性模塊進行建模[16-17]。ADAMS軟件中提供柔性體模塊,柔性模塊采用模態(tài)表示物體彈性,它基于物體的彈性變形是相對于連接物體坐標系的彈性小變形,同時物體坐標系又是經(jīng)歷的非線性整體移動和轉動這個建立的。本文中運用該模塊實現(xiàn)槍管運動仿真分析,以柔性體代替剛性體,可以更真實地模擬出彈丸發(fā)射過程中槍管的振動情況。

ADAMS提供了4種生成柔性體的方法、拉伸法生成柔性體、幾何外形法生成柔性體、導入有限元模型的網(wǎng)格文件創(chuàng)建柔性體、利用ANSYS的宏命令生成ADAMS柔性體,本文主要關注的部分為槍口擾動,所以本文采用的是第4種方法。通過ANSYS與ADAMS之間的雙向數(shù)據(jù)接口,可以很方便地分析柔性體部件對機械系統(tǒng)運動的影響,并得到基于精確動力學仿真結果的應力應變分析結果,提高分析精度。ANSYS程序在生成槍管柔性體部件的有限元模型之后,利用ADAMS宏命令可以很方便地輸入ADAMS軟件所需要的模態(tài)中性文件MNF,指定好柔性體與其他部件的連接方式,并給系統(tǒng)施加必要的外載后即可進行系統(tǒng)的動力學仿真分析。

將槍管模型保存為Parasolid文件,并導入到ANSYS中。

本研究中只對槍管進行柔性化,需進行高精度求解,故采用SOLID185單元。另外,創(chuàng)建了質量單元mass21,并賦予該單元很小的屬性數(shù)據(jù),如圖6所示。

圖6 質量單元mass21屬性數(shù)據(jù)

圖7 網(wǎng)格建立有限元網(wǎng)格

槍管中的單元屬性網(wǎng)格使用Solid185,槍管材料為30CrMnMoTiA、泊松比0.278、彈性模量為2.1×1011、密度 7 850 kg/m3。對槍管有限元模型固定面建立了界面點,用mass21單元類型劃分該個界面點,創(chuàng)建界面節(jié)點并用剛性區(qū)域(Rigid Region)處理界面節(jié)點和與之連接的柔性體附近的節(jié)點。

將生成的槍管有限元模型文件導入到ADAMS中,替換原先建立好的剛性槍管模型,使添加在剛性槍管模型的載荷、約束等全部轉移到柔性體上。且槍管的尺寸、模態(tài)位移、初始速度等保持不變。

耦合計算中單元類型影響分析的速度和精度,合理地選取單元類型是至關重要的,單元類型分為減縮積分與完全積分[18],針對槍彈耦合多學科仿真計算,為了減少迭代次數(shù)和仿真計算量,單元類型采用減縮積分。減縮積分的線性單元只在單元的中心有一個積分點,其單元積分點少,并且計算精度較高,可以很好地保證模擬精度要求。槍管和彈丸網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格,為了進一步提高計算精度,網(wǎng)格劃分時槍管膛線和彈丸彈身部分的網(wǎng)格尺寸大小設為0.1～0.3 mm,槍管和彈丸頭部非受力部設為網(wǎng)格尺寸大小在0.5～1.5 mm內調整,彈丸和槍管網(wǎng)格劃分如圖9和圖10所示。

圖9 彈丸網(wǎng)格劃分

圖10 槍彈網(wǎng)格劃分

3 仿真分析

3.1 槍彈耦合參數(shù)選取

合理選取槍管和彈丸結構參數(shù),從而研究在槍彈射擊過程中槍、彈結構參數(shù)的改變對槍口振動和彈丸膛內彈丸的縱向擺動角和彈丸的橫向擺動角運動特性的影響。取彈丸質量偏心、身管長度、膛線導程、膛線數(shù)量、膛線深度、陰陽線寬度比作為槍/彈間的結構參數(shù)變量,本文中僅僅研究彈丸質量偏心數(shù)對槍口振動和彈丸運動規(guī)律的影響,將模型中其余變量均設為初始值,即只考慮該變量的作用效果。

槍管模型初始變量取值如表2所示。

表2 槍管初始參數(shù)取值

初步定義彈丸在膛壓推力400 MPa推力下,分析彈丸質量偏心e分別取0、0.25、0.5、0.75 mm時對槍口振動和彈丸膛內運動的影響。

3.2 結果分析

1) 槍口振動運動分析

由于加工精度和人為測量誤差原因,實際加工彈丸存在質量偏心。槍彈射擊時彈丸受高溫高壓燃氣推力作用下在膛內高速旋轉和加速運動時,由于質量偏心的存在,彈丸將產(chǎn)生離心慣性力和軸向慣性力,這些力對彈帶形成的慣性力矩,使彈丸在膛內圍繞彈帶進行角運動,即相對于身管軸線做俯仰和側擺運動,將導致槍口振動規(guī)律的改變,同時,兩者間的相互作用力將對身管的彈性振動產(chǎn)生激勵。仿真分析時將槍口視為平面移動,即槍口位置只沿槍口縱向平面運動。槍口的位移用槍口的中心位置與初始位置的距離差,來表征槍口在彈丸擠進過程中相對位移情況L。圖11和圖12為質量偏心e在不同取值下,槍口的縱向位移和橫向位移。

圖11 質量偏心在不同取值下槍口的縱向位移

圖12 質量偏心在不同取值下槍口的橫向位移

從其中可以看出,由彈丸質量偏心引起的槍口位移變化曲線具有明顯的波動性,且隨著彈丸質量偏心e值的增大,槍口的縱向和橫向位移振幅也隨之增大。在t=0.8 ms以后,當彈丸速度和旋轉角速度上升至一定的量級,隨著彈丸的自轉,因質量偏心而形成的慣性力矩將同時加劇槍口的橫向和縱向振動,從彈丸質量偏心e=0.75 mm所對應的速度曲線可以看出,槍口縱向位移L從-0.01 mm升至0.08 mm,而橫向位移從-0.03 mm升至0.08 mm。

2) 彈丸膛內運動分析

彈丸擠進膛線過程中,受到槍管內膛作用,彈丸在擠進過程中的運動并不是嚴格按照槍管軸線方向,而是沿軸向運動的過程中伴隨著橫向和縱向的擺動。仿真分析時將彈丸視為繞質心點處的擺動,即質心位置只沿槍管軸線運動。彈丸的擺角用彈丸頂部的橫向擺動幅值與彈丸頂部到的質心處切線的夾角,來表征彈丸在擠進過程中相對于彈軸的擺動情況θ。如圖13和圖14所示為質量偏心e在不同取值下,彈丸的縱向擺動角和橫向擺動角。

圖13 質量偏心在不同取值下彈丸的縱向擺動角

圖14 質量偏心在不同取值下彈丸的橫向擺動角

從其中可以看出,質量偏心對彈丸的膛內運動影響極其明顯,且造成的彈丸運動變化比引起的槍口振動相對更加直接。

彈丸的縱向擺角和橫向擺角均隨著彈丸質量偏心的增加而增大,當彈丸質量偏心e=0.75 mm時,在彈丸出槍口時刻,彈丸的縱向和橫向擺角分別從-2×10-4rad-1和0.35×10-4rad-1變至4.3×10-4rad-1和-1.3×10-4rad-1。由此可見,彈丸質量偏心e值的增大將嚴重影響槍管的射擊精度和密集度。

綜上,由于彈丸質量偏心不可避免的存在于槍彈系統(tǒng)中,要想獲得較小的彈丸和槍口初始擾動,則應將彈丸質量偏心e值控制在一定的范圍內。

4 結論

采用ABAQUS軟件綜合考慮材料特性、發(fā)射特性、應力應變特性等方面,通過建立槍彈耦合作用模型,對12.7 mm槍彈射擊過程中由于彈丸質量偏心造成的槍口初始擾動和彈丸膛內運動特性進行了分析,分析得出:

1) 隨著彈丸質量偏心的增大加劇槍口的橫向和縱向振動,當彈丸質量偏心為0.75 mm時,槍口縱向位移為0.08 mm,橫向位移為0.08 mm。

2) 彈丸的縱向擺角和橫向擺角均隨著彈丸質量偏心的增加而增大,當彈丸質量偏心為0.75 mm時,彈丸的縱向為4.3×10-4rad-1、橫向擺角為-1.3×10-4rad-1。

3) 彈丸質量偏心的增大,槍管振動和彈丸膛內的擺動,將嚴重影響槍管的射擊精度和密集度。