0 引言
枪弹耦合指弹丸在发射过程中弹丸与身管相互作用,弹丸在高温高压燃气作用下,弹带挤进膛线,弹丸绕身管轴线高速旋转,并与身管内壁发生接触碰撞,造成身管的弹性振动和弹丸的膛内运动两者相互耦合并影响枪弹的射击精度。该耦合作用受弹丸结构参数、质量特征和枪管结构参数等方面影响。目前传统枪弹设计领域中,针对枪弹匹配运动特性缺乏理论基础,弹丸结构、弹丸质量偏心、身管结构等对枪弹耦合的影响[1-8]尚未深入,只能靠经验和多方案加工对比试验,但实际加工过程中,受车床加工精度和人为测量精度影响,实际加工弹丸质量特征与理论设计弹丸质量特征差异性较大,实际加工弹丸存在的加工误差如质量偏心、弹体不同轴等结构误差。Silton[9]利用CFD软件对旋转弹丸在不同初速下的气动特性进行了模拟;李建中等[10]分析了火炮弹丸的质量偏心对炮弹发射时的初始扰动的影响;Albert等[11]研究了弹丸实际加工后其外形不对称时该弹丸的弹形系数的影响。因此,针对小口径弹丸实际射击过程中由于质量偏心造成的枪口振动及弹丸管内运动特性亟需开展研究,该枪弹耦合所引起的枪口振动和弹丸运动直接影响枪弹的射击精度。
本研究中以12.7 mm口径枪弹作为研究对象,研究弹丸加工后的质量偏差对射击过程中枪口振动位移量和弹丸膛内运动特性。为了真实模拟弹丸在枪管内的受力变形和枪管振动,采用多体系统动力学的方法对枪弹射击过程枪管和弹丸的运动变形进行仿真分析。本文利用ANSYS与ADAMS之间的双向数据接口,建立真实映射发射过程枪弹运动的动力学特征的数学模型,利用数值方法模拟发射的整个过程,合理选取求解器求解出弹丸的运动变化规律和枪口受力变形导致的位移振幅,进而为枪弹设计过程中的精度控制研究提供一定的参考。
1 基本假设
弹丸挤进过程从弹丸前端面与枪管倒角刚好接触开始。由于弹丸弹带直径大于枪管内径,当弹丸向前运动时,随着挤进过程的加剧,枪管材料处于屈服或流动状态,被逐渐推到后方,接触面积将逐渐增大,阳线会在弹体表面留下刻痕[12-13]。在计算弹丸挤进过程中,作以下假设:
1) 弹丸与坡膛之间应力保持不变,在挤进条件下,变形的应力为材料屈服极限值σf;
2) 挤进力的变化是由接触面引起的;
3) 本文研究的弹丸体最大直径超过阴线直径,弹丸与阴线、阳线及阳线导转侧的表面都存在相互作用,阳线将弹丸被甲材料挤入阴线,使整个弹膛截面被填满,保证火药燃气不往外泄露。整个过程中,挤进阻力随着挤进逐渐升高;
4) 将弹丸头部与坡膛接触点和弹丸圆柱部前端简化为斜坡面,对弹丸尾端不作处理。
2 枪弹耦合模型建立
采用UG软件完成三维建模,输出X-T文件后将模型导入ABAQUS软件中;在ABAQUS软件内设置各零部件材料参数、质量特性、耦合作用关系和载荷作用后,进行网格划分,明确边界条件设置和输出参数,完成计算。其分析过程步骤如图1所示。
图1 仿真分析流程图
Fig.1 Simulation analysis flow chart
本研究以12.7 mm弹丸和枪管作为仿真计算模型,其模型如图2所示。
图2 枪管弹丸相互作用有限元模型
Fig.2 Finite element model of barrel projectile interaction
枪管材料为30CrMnMoTiA,弹丸材料为H90铜,各部分的材料参数[14]如表1所示。
表1 模型材料参数
Table 1 Model material parameters
材料密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa枪管7 850210 0000.2781 325弹丸8 730108 0000.35300
2.1 工作载荷
为了真实模拟弹丸在发射过程中由于弹丸质量偏心,考虑了枪械其他部件对枪管的作用力,根据实际射击状况对枪管施加合理边界条件,其枪管外载荷和约束如图3所示。
图3 枪管上施加的外载荷与约束
Fig.3 External load and constraints applied on the barrel
枪弹射击过程中,弹丸底部受高温高压燃气推力作用,挤进枪管膛线弹带受理变形使弹丸获得旋转速度,为了真实映射弹丸的挤进过程及在膛内运动特性,对弹丸施加火药燃气在膛内的压力载荷,弹丸受理模型如图4所示。
图4 弹丸上施加的火药燃气压力载荷
Fig.4 The gunpowder gas pressure load applied on the projectile
图5 枪管模型
Fig.5 The barrel model
2.2 求解器的选择
ABAQUS软件中具有Standar求解器和Explicit求解器[15],其中Standar求解器适于模拟静态、准静态的各种非线性问题,
但针对复杂的耦合计算问题,由于计算难度大迭代次数多,其计算时往往不易收敛导致计算失败。
Explicit求解器适用于模拟高度非线性动力学分析、完全耦合瞬态-位移分析,可以更好地计算枪弹发射过程中枪口位移变化、枪弹间的磨损、枪弹热交换和弹丸的膛内运动,这涉及多学科的耦合作用,求解器需在计算非线性问题方面具有处理复杂的塑性应变的能力,因此本文采用Explicit求解器来模拟计算。
2.3 网格的划分
为较好地模拟计算枪口振动位移变化,得到精准的动力学应力应变分析结果,保证模拟计算精度用于真实映射实际射击状况,本文对枪管采用柔性模块进行建模[16-17]。ADAMS软件中提供柔性体模块,柔性模块采用模态表示物体弹性,它基于物体的弹性变形是相对于连接物体坐标系的弹性小变形,同时物体坐标系又是经历的非线性整体移动和转动这个建立的。本文中运用该模块实现枪管运动仿真分析,以柔性体代替刚性体,可以更真实地模拟出弹丸发射过程中枪管的振动情况。
ADAMS提供了4种生成柔性体的方法、拉伸法生成柔性体、几何外形法生成柔性体、导入有限元模型的网格文件创建柔性体、利用ANSYS的宏命令生成ADAMS柔性体,本文主要关注的部分为枪口扰动,所以本文采用的是第4种方法。通过ANSYS与ADAMS之间的双向数据接口,可以很方便地分析柔性体部件对机械系统运动的影响,并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果,提高分析精度。ANSYS程序在生成枪管柔性体部件的有限元模型之后,利用ADAMS宏命令可以很方便地输入ADAMS软件所需要的模态中性文件MNF,指定好柔性体与其他部件的连接方式,并给系统施加必要的外载后即可进行系统的动力学仿真分析。
将枪管模型保存为Parasolid文件,并导入到ANSYS中。
本研究中只对枪管进行柔性化,需进行高精度求解,故采用SOLID185单元。另外,创建了质量单元mass21,并赋予该单元很小的属性数据,如图6所示。
图6 质量单元mass21属性数据
Fig.6 Quality unit mass21 attribute data
图7 网格建立有限元网格
Fig.7 Grid establishes a finite element grid
图8 界面点及主节点
Fig.8 Interface points and master nodes
枪管中的单元属性网格使用Solid185,枪管材料为30CrMnMoTiA、泊松比0.278、弹性模量为2.1×1011、密度 7 850 kg/m3。对枪管有限元模型固定面建立了界面点,用mass21单元类型划分该个界面点,创建界面节点并用刚性区域(Rigid Region)处理界面节点和与之连接的柔性体附近的节点。
将生成的枪管有限元模型文件导入到ADAMS中,替换原先建立好的刚性枪管模型,使添加在刚性枪管模型的载荷、约束等全部转移到柔性体上。且枪管的尺寸、模态位移、初始速度等保持不变。
耦合计算中单元类型影响分析的速度和精度,合理地选取单元类型是至关重要的,单元类型分为减缩积分与完全积分[18],针对枪弹耦合多学科仿真计算,为了减少迭代次数和仿真计算量,单元类型采用减缩积分。减缩积分的线性单元只在单元的中心有一个积分点,其单元积分点少,并且计算精度较高,可以很好地保证模拟精度要求。枪管和弹丸网格划分采用六面体网格,为了进一步提高计算精度,网格划分时枪管膛线和弹丸弹身部分的网格尺寸大小设为0.1～0.3 mm,枪管和弹丸头部非受力部设为网格尺寸大小在0.5～1.5 mm内调整,弹丸和枪管网格划分如图9和图10所示。
图9 弹丸网格划分
Fig.9 Projectile meshing
图10 枪弹网格划分
Fig.10 Grid division of gun bullets
3 仿真分析
3.1 枪弹耦合参数选取
合理选取枪管和弹丸结构参数,从而研究在枪弹射击过程中枪、弹结构参数的改变对枪口振动和弹丸膛内弹丸的纵向摆动角和弹丸的横向摆动角运动特性的影响。取弹丸质量偏心、身管长度、膛线导程、膛线数量、膛线深度、阴阳线宽度比作为枪/弹间的结构参数变量,本文中仅仅研究弹丸质量偏心数对枪口振动和弹丸运动规律的影响,将模型中其余变量均设为初始值,即只考虑该变量的作用效果。
枪管模型初始变量取值如表2所示。
表2 枪管初始参数取值
Table 2 Initial parameters of the barrel
参数数值参数数值身管长度s100膛线深度h0.3膛线导程l460阴阳线宽度比t1.8膛线数量n10
初步定义弹丸在膛压推力400 MPa推力下,分析弹丸质量偏心e分别取0、0.25、0.5、0.75 mm时对枪口振动和弹丸膛内运动的影响。
3.2 结果分析
1) 枪口振动运动分析
由于加工精度和人为测量误差原因,实际加工弹丸存在质量偏心。枪弹射击时弹丸受高温高压燃气推力作用下在膛内高速旋转和加速运动时,由于质量偏心的存在,弹丸将产生离心惯性力和轴向惯性力,这些力对弹带形成的惯性力矩,使弹丸在膛内围绕弹带进行角运动,即相对于身管轴线做俯仰和侧摆运动,将导致枪口振动规律的改变,同时,两者间的相互作用力将对身管的弹性振动产生激励。仿真分析时将枪口视为平面移动,即枪口位置只沿枪口纵向平面运动。枪口的位移用枪口的中心位置与初始位置的距离差,来表征枪口在弹丸挤进过程中相对位移情况L。图11和图12为质量偏心e在不同取值下,枪口的纵向位移和横向位移。
图11 质量偏心在不同取值下枪口的纵向位移
Fig.11 Longitudinal displacement of the mass offset at different values
图12 质量偏心在不同取值下枪口的横向位移
Fig.12 Transateral displacement of the mass eccentric at different values
从其中可以看出,由弹丸质量偏心引起的枪口位移变化曲线具有明显的波动性,且随着弹丸质量偏心e值的增大,枪口的纵向和横向位移振幅也随之增大。在t=0.8 ms以后,当弹丸速度和旋转角速度上升至一定的量级,随着弹丸的自转,因质量偏心而形成的惯性力矩将同时加剧枪口的横向和纵向振动,从弹丸质量偏心e=0.75 mm所对应的速度曲线可以看出,枪口纵向位移L从-0.01 mm升至0.08 mm,而横向位移从-0.03 mm升至0.08 mm。
2) 弹丸膛内运动分析
弹丸挤进膛线过程中,受到枪管内膛作用,弹丸在挤进过程中的运动并不是严格按照枪管轴线方向,而是沿轴向运动的过程中伴随着横向和纵向的摆动。仿真分析时将弹丸视为绕质心点处的摆动,即质心位置只沿枪管轴线运动。弹丸的摆角用弹丸顶部的横向摆动幅值与弹丸顶部到的质心处切线的夹角,来表征弹丸在挤进过程中相对于弹轴的摆动情况θ。如图13和图14所示为质量偏心e在不同取值下,弹丸的纵向摆动角和横向摆动角。
图13 质量偏心在不同取值下弹丸的纵向摆动角
Fig.13 Longitudinal swing angle of a projectile with a mass bias at different values
图14 质量偏心在不同取值下弹丸的横向摆动角
Fig.14 Transverse swing angle of the projectile with the mass eccentric at different values
从其中可以看出,质量偏心对弹丸的膛内运动影响极其明显,且造成的弹丸运动变化比引起的枪口振动相对更加直接。
弹丸的纵向摆角和横向摆角均随着弹丸质量偏心的增加而增大,当弹丸质量偏心e=0.75 mm时,在弹丸出枪口时刻,弹丸的纵向和横向摆角分别从-2×10-4 rad-1和0.35×10-4rad-1变至4.3×10-4 rad-1和-1.3×10-4 rad-1。由此可见,弹丸质量偏心e值的增大将严重影响枪管的射击精度和密集度。
综上,由于弹丸质量偏心不可避免的存在于枪弹系统中,要想获得较小的弹丸和枪口初始扰动,则应将弹丸质量偏心e值控制在一定的范围内。
4 结论
采用ABAQUS软件综合考虑材料特性、发射特性、应力应变特性等方面,通过建立枪弹耦合作用模型,对12.7 mm枪弹射击过程中由于弹丸质量偏心造成的枪口初始扰动和弹丸膛内运动特性进行了分析,分析得出:
1) 随着弹丸质量偏心的增大加剧枪口的横向和纵向振动,当弹丸质量偏心为0.75 mm时,枪口纵向位移为0.08 mm,横向位移为0.08 mm。
2) 弹丸的纵向摆角和横向摆角均随着弹丸质量偏心的增加而增大,当弹丸质量偏心为0.75 mm时,弹丸的纵向为4.3×10-4 rad-1、横向摆角为-1.3×10-4 rad-1。
3) 弹丸质量偏心的增大,枪管振动和弹丸膛内的摆动,将严重影响枪管的射击精度和密集度。
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