发射药药型参数驱动结构建模方法研究

目前对于极限装填密度的确定一般根据经验估计取值,为研究发射药药形对装填密度的影响,需要以发射药三维模型为模板建立发射药离散元模型,基于离散单元法进行装填过程的仿真,因此实现发射药药型参数驱动结构建模具有重要的意义。利用C#语言,连接发射药药型参数数据库,对SolidWorks进行二次开发,详细阐述了圆柱七孔和梅花十九孔发射药的建模方法、编程方法,并模拟了122 mm模块装药的装填过程,初步验证了相同条件下不同药形发射药的装填密度具有差异性。     

单模块装药点传火过程中药粒散布模拟试验与仿真

为了深入了解模块装药点传火过程中的药粒散布特性,设计了可视化模块装药点传火试验平台,针对Φ130 mm×100 mm的单模块装药的点传火过程进行试验,通过高速摄像系统记录了单模块装药点传火、药盒破裂及药粒飞散过程;基于气相-颗粒相耦合的方法,建立了模块装药药盒破裂及药粒飞散三维非稳态气固两相流模型,数值模拟了模块不同初始装填位置对单模块装药点传火过程中药粒散布特性的影响。模拟结果表明,模块初始装填位置距底火端分别为40,80,120 mm和150 mm四种模拟工况下,单模块装药点传火过程中,药粒最终均分布在药盒及其破裂端面右侧的药室内,自底火侧向控压膜片侧分别呈现为水平堆积和坡状堆积的组合形态;模块初始装填位置与底火端距离从40 mm增为150 mm时,水平堆积轴向长度由269.5 mm减为200.4 mm,坡状堆积坡度角由25.03°降为21.31°。随着模块初始装填位置向右移动,药粒水平堆积轴向长度变短,堆积厚度增加,坡状堆积坡度角减小;数值模拟结果与试验观测到的药粒坡状堆积形态基本吻合,验证了模型的合理性。     

颗粒模压发射药的燃烧性能

以粒状高能硝胺发射药RGD7A-6/7药为基药,采用密闭爆发器和30 mm模拟弹道炮试验,研究了颗粒模压发射药模块的密度和基药的表面处理方法对其燃烧性能的影响。分析了不同模块的密度、不同表面处理基药的颗粒模压发射药的燃烧p-t曲线、L-B曲线特征,得到了模块的密度和基药的表面处理方法对颗粒模压发射药的燃烧性能的影响规律。研究结果表明:在一定密度范围内(1.0~1.5 g.cm-3),模压药越密实,燃烧渐增性越好;经过表面钝感、包覆后的基药压制成型的模压发射药MD7燃烧渐增性最好。内弹道试验结果表明,MD7在膛压低于空白药29.7 MPa的情况下,弹丸初速提高了6.6%,炮口动能提高了13.8%。     

基于有限元分析Workbench软件的多孔发射药挤压过程仿真分析

为了获得特定多孔发射药模具的合理结构参数,应用Workbench软件的流体与固体耦合模块模拟了发射药药料在模腔内的挤压过程及针架的变形。采用单因素法分析了收缩角、成型段长度对挤出成型压力和模具针架系统变形的影响。结果表明：随着成型段长度的加大,压力逐渐增大、挤压药密实性增加、针架系统变形增大;随着收缩角的加大,压力增大、挤压药密实性增加、针架系统变形逐渐减小,在多孔模腔收缩角55°之后,压力增大、变形减小的幅度平缓;收缩段和成型段截面压力差从入口至出口逐渐减小,最后达到均匀分布。     

横切棒状和包覆粒状发射药混合装药定容燃烧性能

为了研究横切棒状和包覆粒状发射药混合装药的定容燃烧性能,制备了9/19的横切棒状药和含有Ti O2的高分子阻燃太根7/19包覆粒状发射药,对不同混合配比的横切棒状药和包覆粒状发射药进行了密闭爆发器试验,测定了发射药在不同装填密度下的定容燃烧性能,研究了混合比对混合装药定容燃烧性能的影响规律,分析了横切棒状药和包覆粒状发射药共同燃烧相互作用。结果表明:装填密度对发射药混合装药定容燃烧性能产生影响,随着装填密度增加,侵蚀燃烧降低,燃烧渐增性增加。混合比例对混合装药燃烧渐增性产生影响,在装填密度为0.20 g·cm~(-3)和0.32 g·cm~(-3)条件下,横切棒状和包覆粒状发射药获得较佳燃烧渐增性的混合比例分别为4∶6和3∶7。横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药燃烧的相互影响主要表现在燃烧前期,横切棒状药改善了包覆粒状发射药的点火;燃烧中后期,横切棒状药和包覆粒状发射药燃烧趋于独立。     

侵蚀燃烧在发射装药内弹道中的应用研究

侵蚀燃烧是具有内孔燃烧火药的一种普遍现象,应用侵蚀燃烧可改变火药燃烧的规律。由于火炮发射装药装填密度的变化,不同装填密度发射药所受的内孔与外部压力也不同,这种压力差使发射药内孔在火炮膛内燃烧时发生侵蚀燃烧。利用发射药内孔燃气流动的流速、传热和冲刷对燃速的影响,研究了火炮发射装药的侵蚀燃烧对发射药燃速的影响,建立了发射装药侵蚀燃烧数学模型,分析了发射药装填密度、内孔的孔径、药粒长度等变化所引起的侵蚀燃烧变化及对发射装药内弹道性能的影响。提出了在变装药中,利用侵蚀燃烧提高小装药量、小射程用发射装药膛压的方法。     

不同粒径团聚硼颗粒的堆积密度研究

对团聚硼颗粒进行筛分,测量并研究了不同粒径团聚硼颗粒的松散堆积密度和振实堆积密度,采用电子扫描显微镜对团聚硼颗粒的表面形貌进行了观察。结果表明,无定形硼粉经团聚后,颗粒粒径增大,松散堆积密度和振实堆积密度均提高;随团聚硼颗粒粒径的减小,两种堆积密度均先减小后增大,当颗粒粒径在0.25 mmd≤0.30 mm范围,颗粒的振实堆积密度达到最小;颗粒粒径在d≤0.104 mm范围,振实堆积密度达到最大;颗粒粒径在0.30 mmd≤0.84 mm范围,颗粒的松散堆积密度达到最小,此时,团聚硼颗粒的振实堆积密度较松散堆积密度相对于其他颗粒粒径增加的程度最大。     

发射药对射钉弹穿透性能的影响

以射钉穿透能力为依据,对影响射钉弹发射药性能相关参数进行了试验研究。结果表明,在其它试验条件不变的条件下,适当降低发射药堆积密度、适当提高发射药中硝化棉(NC)含氮量、选用恒面燃烧的扁型药、降低发射药粒度均有利于提高射钉的穿透能力。     

不同晶型奥克托今用于硝胺发射药的性能

为了研究奥克托今(HMX)的晶型对硝胺发射药性能的影响,采用密闭爆发器以及力学性能测试仪,对含α-HMX和β-HMX两种不同晶型硝胺发射药的燃烧性能和力学性能进行测试.结果表明: 含α-HMX发射药点火容易,其气体生成猛度和燃烧速度比含β-HMX发射药的小,含α-HMX比含β-HMX发射药的燃速压力指数高0.1、力学性能差.另外,当装填密度为0.12 g·cm-3时,两者的燃速压力指数都大于1,而在装填密度为0.20 g·cm-3时,两者的燃速压力指数都达到小于1的水平.     

等离子体点火对高能硝胺发射药点火性能影响研究

采用等离子体点火的方法研究了高能硝胺发射药在不同等离子体射流条件作用下的点火特性,与常规点火方式的点火特性进行了比较,分析了不同点火方式下高能硝胺发射药的静、动态点火效果,并探讨了调节等离子体点火能量对发射药点火性能影响。试验结果表明：与常规点火方式相比,等离子体点火延迟时间明显缩短;增加等离子体点火能量会使发射药点火时间短、燃烧速度快;密闭爆发器中,随着发射药装填密度增大,点火和燃烧时间均变短;受等离子体射流点火的影响,等离子体点火膛压曲线上升前期坡度比常规点火膛压曲线陡,对发射药点火燃烧影响更显著。     

序列堆积杆状药床微细孔道相间阻力特性研究

为了进一步提升火炮发射弹丸的炮口动能,传统粒状药由于其装填条件的制约,在很大程度上无法满足现代火炮的需求。杆状药以其优异的装填性能得到了广泛的关注,采用杆状药以序列形式进行装填,可以有效调高火药装填密度。对于花边形的多孔杆状药,为更好研究其内弹道性能,采用仿真计算分析其燃烧性能,此过程需要大量辅助方程以保证计算结果的准确性。其中,燃气在序列堆积杆状药床微细孔道内流动的阻力系数是两相流内弹道的重要参数。利用实验装置分别完成氮气在杆状药内孔、花边间隙及装填药床流动的阻力特性实验研究,测量孔道进出口压降以及流量,总结出相间阻力系数f与雷诺数Re与间的关系。在同等条件下,使用Fluent仿真软件对氮气在微细孔道的流动特性进行计算分析,与实验结果吻合较好。在验证此模型的合理性后,将氮气更换为杆状药燃烧生成的火药燃气,结果表明:随着雷诺数Re增大,阻力系数f不断降低,可以拟合出相应的无量纲关系式f(Re),为两相流内弹道计算提供基础。     

等离子体增强火炮发射性能的实验研究

在30mm电热化学发射装置上进行了输人电能、装填密度和火药种类影响发射性能的实验研究。实验结果表明：在等离子体脉冲的作用下．火药燃烧过程得到增强．燃气生成速率提高，导致较陡的起始压力上升曲线。在较大能量和脉宽的电脉冲作用下，在不增加最大膛压的情况下能有效地提高炮口初速。某些经过表面处理的火药可以在抑制最大膛压升高的同时保持等离子体对火药燃烧的电增强效应，提供了一种提高发射效率的有效途径。     

含氟功能助剂对发射药燃烧性能的影响

为提高发射药表面防盐湿、耐高温性能的同时调控其燃烧性能,采用TiO2纳米粒子与含氟单体反应合成了TiO2-含氟丙烯酸酯功能助剂。功能助剂和太根双基推进剂药片共混制备了发射药颗粒,对其进行了密闭爆发器实验。研究了含氟功能助剂的含量、含氟量及粒径对发射药定容燃烧性能的影响。结果表明:随着十二氟功能助剂含量的降低,发射药燃速呈增大趋势。十二氟功能助剂使发射药燃速提高0.1~0.3 cm·s-1,三氟功能助剂使发射药燃速降低0.4~1.0 cm·s-1。在本实验条件下,粒径对改善发射药燃速效果不明显。为更好地调控发射药起始燃烧速度,需要综合考虑含氟功能助剂链段中含氟量与TiO2含量二者比例以及发射药聚集体的物理形态。     

模具内流道结构对硝基胍发射药成型过程的影响

为研究发射药模具内流道结构对硝基胍发射药成型过程的影响,建立了11/7硝基胍发射药模具内流道模型,对以收缩角为30°,45°,60°,成型段长度为25,30,45 mm不同组合的9种方案进行了数值仿真,分析挤压过程中收缩角和成型段长度对剪切速率、压力、速度分布的影响。结果表明,收缩角对不同收缩段和成型段交界面以及近出口等截面的影响相似,都表现出靠近中心模针以及壁面附近处发射药药料剪切速率高于周围部分,截面压力分布均匀,药料流动速度分布呈现中间大两边小的特点;成型段长度对药料流动过程中剪切速率分布影响较大,成型段长度越小,剪切速率越容易发生突变,可能导致非稳态流动;同时确定较优的内流道参数方案为收缩角45°,成型段长度30 mm。     

考虑壁面滑移修正的硝基胍发射药流道内数值模拟

壁面滑移是影响发射药压伸成型质量的重要因素之一。为了提高七孔硝基胍发射药压伸成型数值仿真的精确度,研究了发射药药料壁面滑移机理,建立了考虑壁面滑移修正的发射药流动的数学模型。采用有限元方法对七孔硝基胍发射药压伸成型工艺进行了数值模拟。对壁面考虑滑移与未考虑滑移时发射药流道内的压力场,速度场,收缩段与成型段交界处速度矢量分布情况进行了对比分析。通过发射药压伸试验进行了仿真验证。结果表明,壁面滑移降低了发射药成型压力,提高了发射药出口速率的均匀性,有利于发射药压伸成型。发射药实际尺寸与仿真尺寸误差均小于2.0%,其中,外径尺寸误差为0.59%,外弧误差为0.36%,内弧误差为1.80%,孔径误差为1.67%,中心孔径误差为1.72%,仿真工艺符合实际加工。     

堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药的性能

为了解决高能叠氮硝胺发射药燃烧渐增性欠佳及低温感效果较差的问题,采用高分子复合材料堵孔和含能复合材料钝感的两步法工艺,制备了3种内孔被高分子复合材料形成的“塞子”封堵、表面被钝感的钝感高能叠氮硝胺发射药(本研究称之为堵孔钝感发射药)。采用爆热和密闭爆发器试验,研究了堵孔钝感发射药的能量性能及静态燃烧性能。结果表明,与空白药相比,随着堵孔材料及钝感材料含量的增加,3种堵孔钝感发射药WCBF-1/18、WCBF-2/18和WCBF-3/18的爆热分别下降2.6%、3.6%和4.3%,燃烧渐增性增强且燃烧渐增性因子Pr值由0.471分别提高到0.552、0.563和0.576。3种堵孔钝感发射药WCBF-1/18、WCBF-2/18和WCBF-3/18的高温相对燃烧活度温度系数的绝对值均值分别为2.87%、1.89%和1.56%,相较于空白药均有所下降,表明堵孔钝感发射药高常温区间内低温感效果好。     

基于CFD 技术的火药气体作用系数计算

火炮反后坐装置设计需要确定火药气体作用系数。为准确计算火药气体作用系数,提出一种基于CFD技术的火药气体作用系数的数值计算方法。选用某火炮不带炮口装置为算例,在Fluent前处理软件Gambit中建立流场计算模型,监测身管受力,得到后效期内炮膛合力的冲量,求得火药气体作用系数。将仿真计算值与经验公式、理论公式和实验值进行对比分析,并对该方法的正确性进行验证。对比分析结果表明,基于CFD技术的火药气体系数计算值准确可信。     

射击过程中热影响及身管热控制措施综述

射击过程中高温火药燃气及弹带摩擦的热作用造成的热影响，如内膛烧蚀磨损、身管热应力、身管热弯曲、发射药自燃甚至膛炸，引起初速、射程、精度等丧失，严重限制了火炮性能的发挥，成为火炮威力提高的障碍。文中在简述各种热影响基础上，对目前采取的各种身管热控制措施按作用机理，从传热学的角度划分为隔热和冷却两大类，并对具体技术实现作了较详细阐述，同时就大口径自行榴弹炮身管主动冷却问题进行了讨论。