基于Johnson-Cook本构模型的弹带挤进过程数值模拟

采用非线性有限元数值模拟的方法对某大口径火炮弹带挤进过程的力学机理进行了研究。基于Johnson-Cook动态本构模型并结合实验测试数据,在有限元软件ABAQUS中建立了挤进过程的非线性动力学模型,利用显式数值积分算法对弹带挤进过程的非线性动力学进行了数值模拟。通过数值计算,分析了弹带刻槽形成过程,得到了弹丸挤进运动规律、动态挤进阻力及挤进压力值,获得了摩擦性质对弹带挤进过程的影响规律。结果表明:摩擦系数越大,挤进时间越长,挤进阻力越大,对应的挤进压力也就越高。研究结果可为大口径火炮、弹丸和装药设计研究提供一定的参考。     

计及动态冲击挤进过程的埋头式弹药内弹道特性

为能够精确预测埋头式弹药的内弹道特性,了解埋头式弹丸动态冲击挤进过程中尼龙弹带的变形形态、失效模式及刻槽形成机理。利用LS-DYNA软件,建立计及挤进系统复杂结构和埋头式弹丸动态冲击特性的三维有限元模型,并进行模拟仿真。结合埋头式弹药两级点火和火药程序燃烧的新原理,进一步建立埋头式弹丸挤进过程初始内弹道与挤进完成后内弹道的一体化模型,并对比数值计算与试验测试结果。对比结果表明：弹带材料直接受膛线作用发生断裂失效模式主要以剪切失效为主,挤进过程分为初期依靠初始速度减速挤进与后期火药燃气推动加速挤进阶段,两阶段弹带材料受膛线挤压均产生大变形,相应的挤进阻力也较大,最终通过拟合得到了弹丸动态冲击挤进阻力表达式,并与内弹道方程耦合建立了埋头式弹丸内弹道一体化精确模型,该模型计算结果与试验吻合较好,验证了其准确性,为今后这种新型弹药的装药结构设计提供了有益的参考。     

某大口径榴弹炮弹带挤进过程数值模拟研究

为探索某大口径榴弹炮发射条件下弹带挤进过程的力学机理,建立了弹带挤进坡膛的有限元模型。通过数值模拟研究弹带的动态挤进过程,分析弹带变形及刻槽形成过程,计算得到弹带动态挤进阻力、挤进压力和弹丸运动规律,给出了最大挤进阻力值、挤进压力值及对应时刻弹丸速度值。研究结果表明,挤进过程中弹带材料经历塑性变形流动,发生剪切失效占主导的韧性断裂并形成刻槽,弹带挤进后具有明显的层状特征,其内部区域的塑性变形量很小,弹带绝热变形产生的热量不足以使弹带材料熔化。文中采用的实验测试数据为数值模拟研究提供了支持,下一步工作的重点是开展针对弹带动态挤进阻力及弹丸运动规律的实验研究。     

大口径防爆弹弹带挤进过程仿真与分析

防爆弹的弹带挤进过程是其在内弹道运动过程中的重要组成部分,弹带挤进时期的应力应变情况对提高火药气体密封、弹丸出膛初速等具有重要影响.根据Von Mises屈服准则,建立了防爆弹3D结构模型和材料模型看,利用显式动力学分析软件ANSYS/Explicit Dynamics对3D模型进行了有限元分析,得到挤进过程中弹带的应力集中区域和变形情况.根据受力平衡,计算了防爆弹动态挤进阻力.数值仿真实验结果为防爆弹弹带、身管设计提供了一定的理论依据.     

串联发射弹丸挤进过程数值仿真与分析

为研究串联发射的弹丸在不同起始速度下动态挤进膛线的力学机理与运动特点,以30 mm火炮为对象分析了串联发射方式的内弹道物理过程,建立了弹丸与坡膛的有限元模型,采用LS-DYNA软件进行了挤进过程的有限元仿真。研究结果表明:挤进过程中,弹带变形规律不受挤进起始速度的影响,均是逐步被膛线刻槽并发生塑性变形;起始速度由5 m·s~(-1)增加至400 m·s~(-1),弹带等效应力峰值从611.8 MPa升高至717.5 MPa,弹带塑性应变最大值从0.89降低至0.75,挤进阻力峰值从为20.3 k N提高至22.9 k N,挤进完成后的摩擦阻力从0提高至3.5 k N,挤进起始速度增加导致了弹带材料应变率、塑性流动应力与挤进阻力的改变,影响弹丸挤进后的内弹道过程;3发弹串联发射时,首发弹20个节点轴向速度的标准差为8.3 m·s~(-1),后续弹分别为18.2,26.7 m·s~(-1),后续弹挤进时的振动冲击效应较首发弹显著。     

弹带宽度对弹丸挤进过程的影响分析

弹丸挤进过程是火炮发射继点火传火之后的起始阶段,弹带结构对弹丸挤进过程有一定的影响。针对某大口径火炮,基于 Hypermesh和 Abaqus建立5种宽度弹带的挤进过程有限元模型,采用载荷幅值子程序的方法,联合求解内弹道方程组和非线性有限元过程,计算火药燃气压力作为载荷边界条件,进行数值模拟计算。研究结果表明,在相同装药条件下,弹带宽度对挤进终了速度影响较小。较宽弹带受到挤进阻力和摩擦力较大,对应的挤进压力较大,全弹带挤进耗时较长。综合考虑身管寿命、火炮保养和弹带制造成本,59 mm是5种工况中较为理想的弹带宽度。     

尼龙-紫铜复合弹带结构设计及动态挤进特性分析

针对大口径火炮在弹带挤进阶段由于应力过大易对炮膛内壁造成损伤的问题,以大口径火炮发射过程的内弹道特性为背景,展开尼龙-紫铜复合弹带的结构设计及其动态挤进过程的数值仿真研究。基于现有紫铜材质弹带,通过注塑工艺制备一种尼龙-紫铜复合结构弹带,降低挤进过程中的弹带应力。利用经典内弹道方程组求解内弹道过程中弹丸弹底压力变化,并作为动力条件展开动力学分析,使用单一及复合材质弹带的弹丸挤进过程中的内弹道动力学参数,分析尼龙厚度对复合弹带性能的影响。研究发现,相比于紫铜弹带弹丸,相同条件下使用尼龙弹带的弹丸内弹道动力学参数更高,而挤进终点时刻弹带应力更低;对于使用复合结构弹带的弹丸而言,其内弹道性能和弹带尼龙含量相关。复合弹带尼龙厚度越厚,则挤进过程中弹丸内弹道动力学参数越高,而挤进终点时刻弹带应力越低。相关研究可为中大口径火炮弹带设计提供一定参考。     

某大口径枪械内弹道挤进时期的数值仿真与分析

针对线膛枪管内膛与弹丸的复杂结构以及高度非线性的挤进过程,求解了弹丸挤进时期的弹底压力,采用多软件综合仿真的方法,建立了枪管和弹丸的高精度有限元模型,模拟了弹丸的挤进过程。分析了弹丸挤进过程所受应力、变形量的时空演化规律,展示了弹丸上膛线刻痕的形成过程,获得了弹丸嵌入阻力变化规律的仿真结果。通过计算并比较弹丸嵌入阻力不同拟合公式的可决系数,获得了弹丸嵌入阻力的最优拟合公式。所得结果为内弹道起始问题的研究、枪管内膛结构设计提供了理论参考。     

某大口径火炮弹带热力耦合挤进动力学数值模拟研究

为研究弹带挤进过程机理以及弹丸在挤进过程的运动规律,对大口径火炮挤进过程进行了仿真分析。考虑了火药气体在带锥度药室及坡膛内的分布,得到挤进时期的内弹道学方程,将该方程的解作为力边界条件,同时引入考虑温度的摩擦力模型来模拟身管与弹带间的摩擦,采用显式方法建立大口径火炮弹带挤进过程热力耦合仿真模型;分别对经典内弹道挤进过程和绝热挤进进行计算,验证了耦合计算的必要性;同时考虑不同弹炮间隙、卡膛速度以及初始摆角对挤进过程的影响,得到挤进过程中挤进阻力、弹丸速度、火药气体压力、弹丸摆角的变化规律。计算结果表明,弹炮间隙对挤进阻力和挤进速度有着重要的影响,而弹丸卡膛前摆角对弹丸挤进过程中的摆角有着重要的影响。     

尼龙弹带动态挤进特性试验研究与数值分析

为了研究尼龙弹带在滑膛炮中的挤进特性，设计了短管炮发射装置，进行了动态射击条件下的穿甲弹挤进试验研究。采用瞬态压力测量系统和高速摄像仪得到挤进过程中膛内压力和弹丸运动参量，计算得出弹丸动态挤进过程的阻力变化特性曲线，分析了弹底平均压力上升速率对于尼龙弹带挤进过程的影响。基于试验工况，采用弹塑性大变形的C-S模型，数值模拟了尼龙弹带的挤进形变过程，研究了尼龙弹带挤进动力学特性。研究结果表明：尼龙弹带在挤进过程中发生了弹塑性变形，弹带内部为压剪状态，弹带主要失效方式为剪切失效。动态射击条件下的弹丸在挤进过程中挤进阻力随挤进位移的增大先增大后减小；当弹底平均压力上升速率从2.92 MPa·ms^-1增大到3.28 MPa·ms^-1时，挤进时间缩短了4.36%，最大挤进阻力增大了5.12%；弹丸位移的计算值与测量值的平均误差为5.24%，该三维动态挤进模型可以较好地预测尼龙弹带的动态挤进过程。     

两种中口径弹药弹带动态挤进阻力特性的实验研究

针对弹丸挤进过程中弹带在坡膛产生高应变率塑性变形及断裂问题,采用短管炮发射装置完成了两种不同弹带动态挤进过程的阻力特性实验。采用动态压力测量和高速录像系统进行了挤进过程中膛内火药燃气的压力和弹丸位移数据的测量。对膛内压力和位移数据进行计算,得到了弹带挤进变形期间的阻力特性曲线。研究结果表明,弹带材料和结构对挤进阻力的影响较为明显,紫铜弹带相对于尼龙弹带有较高的挤进启动压力和最大阻力值,相应的挤进时间较短。     

枪弹动态挤进阻力理论与实验研究

枪弹挤进过程具有非线性、瞬时性等特征,对枪管寿命和射击精度有着重要的影响。为揭示弹-枪相互作用机理,通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,开展枪弹动态挤进阻力模型研究。采用显式动力学有限元方法,借助Abaqus软件模拟枪弹动态挤进过程。利用多参数同步测量技术进行动态挤进实验,验证数值模拟的有效性。基于完全非弹性碰撞假设,考虑弹头材料静态强度、动态变形力和高速运动下摩擦力的作用,结合弹头运动、弹-枪结构参数,构建动态挤进阻力模型,分析影响挤进阻力的关键因素,并与数值模拟进行对比。结果表明,动态挤进阻力先增大后减小,在弹头圆柱部完全嵌入坡膛时达到最大值,弹头挤进速度和挤进过程中的体积变化率为影响动态挤进阻力的关键因素,该模型理论值与数值模拟结果一致性较好,能准确描述弹-枪相互作用过程。研究成果可充实枪弹设计理论,为轻武器系统优化提供理论参考。     

定装式弹丸不同膛内自由行程下挤进过程的动态响应

为了研究定装式弹丸挤进过程中的动态响应,分析了不同的膛内自由行程对挤进过程、弹体-弹带区域压力和炸药响应的影响,利用Abaqus/Explicit及其幅值子程序VUAMP建立了包含弹体、弹带、炸药和引信结构的弹炮耦合有限元模型。研究结果表明:自由行程增大会加快挤进速度,导致膛压和弹丸挤进完成后速度下降; 挤进速度的加快导致弹带塑性变形增大,弹带材料破坏更严重,质量损失更多,这也减小了弹体-弹带区域的径向受力; 炸药的应力和塑性变形大小均会随着自由行程的增加而增大,影响炸药的安定性。     

高温引起的弹头壳铜被甲材料性能变化对弹头膛内运动影响

为了研究高温下铜被甲弹头在膛内运动状况,通过高温拉伸试验得到枪管材料和弹头壳铜被甲材料的力学性能参数,建立了铜被甲弹头在全枪管中的挤进运动有限元模型。该模型考虑了枪管在重力作用下的预弯曲以及铜被甲材料在不同温度时的力学性能。通过数值模拟研究了弹头挤进过程以及弹头在膛内运动姿态,分析了铜被甲弹头在不同温度下的挤进阻力、材料流动及变形。计算结果表明,温度越高,弹头在膛内变形越大,前进阻力也越大,弹头头部铜被甲弯曲程度越厉害;对弹头运动姿态进行分析后发现,温度越高,弹头在膛内摆动角越大,说明了热枪状态下铜被甲弹头的射击精度会下降,射弹散布变大。     

坡膛结构参数对枪械内弹道挤进时期的影响研究

枪械射击过程中枪管坡膛处工作环境恶劣,为了研究枪管坡膛角度对挤进过程坡膛处受力的影响,建立了不同坡膛角下考虑枪管及弹头结构特性、本构非线性等因素的三维有限元模型,分析了不同坡膛角对弹头挤进过程的影响,获得了不同坡膛角下挤进阻力随挤进位移的变化数据;建立了挤进阻力的响应面模型,基于上述数据采用Hermite多项式,求解获得了挤进阻力以坡膛角和挤进位移为变量的计算公式;提出建立了考虑挤进阻力的弹头挤进过程的动力学模型,编程计算了枪弹挤进过程中的挤进压力,获得了某大口径机枪满足弹头初速条件的坡膛角度取值范围为0.11°~1.13°,进而得到了缓减枪管坡膛受力、保证弹头最高初速、满足坡膛角设计范围的坡膛角度最优解为0.56°。     

基于温度修正的弹丸挤进身管过程摩擦模型

弹丸挤进身管过程中,弹带与身管之间的摩擦特性不仅对内弹道特性产生影响,而且影响对身管寿命的预测。在弹丸挤进过程中,弹带与身管之间的摩擦具有高速高接触压力特性。基于弹丸挤进过程中的弹带变形机理,提出一种新的描述弹带与身管之间摩擦特性的摩擦模型,该模型考虑了接触压力、滑移速度以及连发射击时温度升高导致弹带表层熔化的影响;建立热力耦合的弹炮匹配有限元模型,分析弹丸挤进过程弹带应力及温度变化,并与文献［24-25］提出的摩擦模型进行对比验证,研究弹丸挤进过程中的弹丸速度和弹带表层温度变化规律。结果表明：新的摩擦模型能够准确描述弹丸挤进过程中弹带与身管之间的摩擦特性。