0 引言
近年来,国内外对捕捉网弹的研究日趋成熟。通常情况下,捕捉网弹结构的动力学过程模拟比较复杂,一般是用特定机构驱动或控制绳网运动变形的动力学过程,使绳网在变形中形成并维持恰当形状,例如刚性杆支撑展开方式和牵引质量块发射展开方式。通过对比,利用发射机构为牵引质量块提供初始动量,依靠牵引质量块和绳网的共同运动自然张开绳网,其发射原理简单、发射机构紧凑,具有发射展开一体化的特点。胡明等[1]通过分析网弹结构和原理,建立了网弹发射效果评价参数,推导出了网弹动力学方程,并通过有限元建模分析,得到了网弹飞行的基本参数,证实网弹可获得有效初速,并实现缠绕捕捉目标。付杰等[2]针对六边形柔性绳网系统的发射展开过程建立了动力学模型,利用ABAQUS有限元仿真软件,实现了对柔性绳网展开过程的动力学仿真研究。陈钦等[3]对牵引质量块的质量、惯量,绳索连接点的个数,牵引质量块随体坐标系与发射器坐标系的相互关系进行了分析研究,并建立相应的物理模型。Bessonneau等[4]基于质子-弹簧模型对渔网运动过程进行数值模拟,为网体的动力学过程仿真提供了依据。
由于捕捉网弹的内部结构采用模块化设计,建模过程比较繁琐,弹体爆炸的时机选择难以控制,应用商用软件对捕捉网弹建模是一个有效的途径。我们将有限元法引入到弹体爆炸仿真过程,通过建立有限元模型,依托LS-DYNA平台进行仿真,通过LS-PrePost对仿真结果进行后处理,探究弹体爆炸撑开过程的基本规律,为捕捉网弹的研究和优化设计提供参考。
1 结构设计
所设计的远距离捕捉网弹主要由近感探测引信、战斗部和药筒组件3部分构成,具体包括激光探测器、电源模块、捕捉网系统、牵引块、抛撒装置、分离火药、尾翼装置等,如图1所示。
1.药筒; 2.发射火药; 3.抛撒药柱; 4.抛撒装置; 5.密封圈; 6.牵引块7.捕捉网; 8.捕捉网套; 9.弹体; 10.近感探测引信
图1 捕捉网弹结构示意图
Fig.1 Diagram of capture net projectile structure
近感探测引信可采用激光近感探测模块或毫米波近感探测模块,当近感探测模块启动开始工作后,高频次探测弹丸与目标的距离,当弹丸与目标的距离小于设定阈值时,近感探测模块向抛撒装置发出点火信号,从而引燃抛撒药柱,使捕捉网张开,对目标实施抓捕。如图2所示。
图2 近感探测引信
Fig.2 Diagram of proximity detection fuze
战斗部包括弹体、捕捉网、捕捉网套、牵引块、抛撒装置等。弹体采用工程塑料制成,弹体由隔板分成2个腔体,上腔体用于装填捕捉网单元,下腔体为筒裙式尾翼,用于确保弹丸飞行过程中弹头引信始终朝向前方。为了保证捕捉网在弹体起爆后能够顺利打开,弹体外部均匀预制V形或弧形沟槽。捕捉网通常采用六边形蛛网结构,由耐高温阻燃纤维材料制成,展开面积不小于9 m2,平时呈折叠状态放置于捕捉网套内,网体中心处与近感探测引信连接,六边形蛛网结构各角的辐射延伸线各连接1枚牵引块。牵引块由顶部的圆台结构和下部的圆柱结构组成,由金属材料制成,在牵引块上的圆柱结构上预制2个环形槽,1个槽与捕捉网辐射延伸线连接,1个槽上套上密封圈,牵引块的圆柱结构置于抛撒装置的圆柱孔内。抛撒装置由工程塑料制成,其内装填抛撒药柱,并开设6个斜孔用于装填牵引块。结构如图3所示。
图3 战斗部
Fig.3 Diagram of warhead
药筒组件由药筒体、底火、发射装药组成,药筒体底部中心装有底火,底火上方连接发射装药,采用高低压室发射装药结构,主要用于击发弹药并将弹丸发射出去,如图4所示。
图4 药筒组件
Fig.4 Diagram of cartridge case
根据工作原理可以看出,在弹药发射过程中,发射装药燃烧产生高温高压气体,一方面使短路保险的连接线熔断而解除保险,另一方面推动弹丸加速射出,产生后坐力,使加速度开关闭合而解除保险。采取模块化设计的优势主要在于拆装简单,便于实际操作控制,也降低了运送过程中的安全风险。本文中主要对弹体爆炸过程进行仿真分析,由于LS-DYNA仿真软件在处理此类问题中有很大优势[5-6],因此本文依托于该软件平台。
2 有限元模型的建立
分析远距离捕捉网弹的结构及爆炸特性[7],做出如下假设:① 药柱爆炸过程中能量规律性递减;② 外壳质地均匀,爆炸后没有多余的能量损耗;③ 忽略应力波叠加的影响。
通过三维建模建立捕捉网弹体结构示意图,如图5所示。
图5 捕捉网弹体结构示意图
Fig.5 Diagram of capture net projectile bodystructure
分析弹体结构,得出捕捉网弹体的有限元模型,如图6所示。
图6 捕捉网弹体有限元模型
Fig.6 FEM of capture net projectile body structure
捕捉网弹体爆炸过程中涉及药柱、空气和外壳3种材料,需分别进行建模。药柱采用*MAT_ADD_EROSION的材料模型,状态方程采用*EOS_GRUNEISEN进行描述;空气采用*MAT_NULL状态方程,采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,具体参数如表1和表2所示。外壳采用*MAT_JOHNSON_COOK模型,参数如表3所示。设置求解时间 0.9 ms,生成k文件进行计算。
表1 药柱材料参数
Table 1 Parameter of drug column
参数CS1S2GAMAOOMEG数值1.647e+41.92-0.0960.350.3
表2 空气材料参数
Table 2 Parameter of air
参数C0C4C5E0数值-1e-60.40.42.5e-6
表3 外壳材料参数
Table 3 Parameter of shell
变量ROEPR参数2.677700.33
3 仿真分析
图7为外壳在0.1～0.4 ms时的爆炸撑开过程应力云图。从仿真结果可以看出,在0.1 ms时,6个牵引块在抛撒药柱提供动力的前提下,将弹体撑破;在0.3 ms时,6个牵引块完全脱离弹体,随之拖动牵引绳继续运动,可以预见的是,牵引绳最终带动捕捉网的6个角成功拉开捕捉网。由于外壳预置了4个凹槽,在凹槽处最先产生较大的变形,随后能量逐步衰减。
图7 弹体撑开过程仿真图
Fig.7 Diagram of expansion process of projectile body
3.1 能量变化规律分析
根据LS-PrePost软件对弹体仿真进行后处理,弹体的动能随时间变化曲线如图8所示。
图8 弹体动能-时间曲线
Fig.8 Curve of projectile body kinetic energy-time
从图8中可以得出,随着时间的变化,弹体动能急剧增大,之后的0.03 ms时间内,部分弹体在破碎处失效,最终在0.05 ms处达到平衡,此时,牵引块已全部脱离弹体。
从弹体凹槽处、弹体一侧、弹体对侧选取不同节点进行分析,可以得出速度随时间的变化曲线,如图9所示。
图9 不同节点速度-时间曲线
Fig.9 Curve of different nodes velocity-time
从图9中可以看出,弹体不同位置破碎的速度变化有一定的差别,凹槽处破碎后的最大速度为2.4 m/s,最小处弹体一侧速度峰值为1 m/s,最终都趋于稳定值。可见,在对弹体进行设计时,选择在弹体外侧加入凹槽,可以最大限度实现弹体破裂,对于优化弹体结构有重要意义。
3.2 数值分析
由于弹体厚度相对其长度不可忽略,故需采用厚壁圆筒模型对弹体结构进行应力分析[8-10]。
弹体的两端封闭受内压时,在远离端部的横截面中,其轴向应力用截面法求得,即:
(1)
由此可以得出
令
由式(1)可得
式(1)中:σφ为轴向应力;R0、R1为弹体的外半径和内半径;k为弹体外半径和内半径之比;P为内压。
根据弹性失效准则,弹体的承压能力是根据内壁的强度条件决定的。应力最大部位的应力达到极限值时,失去承载能力。按照第四强度理论,建立内壁强度条件为
(2)
其中,弹体固定材料的屈服极限σs,代入弹体参数及扩爆压力P,即可求出σd。
当σd>σs时,弹体可以实现扩爆。
4 结论
通过有限元软件对捕捉网弹体爆炸进行了仿真分析,得到了符合实际情况的仿真结果,结果表明:
1) 爆炸后的总动能逐渐衰减,弹体预制凹槽处形变较大。
2) 仿真结果得出,在0.1 ms时,6个牵引块在抛撒药柱提供动力的前提下,将弹体撑破;在0.3 ms时,6个牵引块完全脱离弹体,随之拖动牵引绳继续运动。
3) 弹体在应力集中处完全扩爆撑开,验证了捕捉网弹的发射稳定性。
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