曾志銀,寧變芳,邵小軍,劉朋科,張軍嶺

(西北機電工程研究所,陜西咸陽 712099)

火箭彈撞蓋力數(shù)值仿真及實驗研究

曾志銀,寧變芳,邵小軍,劉朋科,張軍嶺

(西北機電工程研究所,陜西咸陽 712099)

儲運發(fā)箱式火箭炮前密封蓋設計是該類火箭炮關鍵技術難題之一。由于該類火箭炮結構特性所決定,實彈射擊時火箭彈撞擊密封蓋過程中的撞擊力無法實驗測試,因此應用LS-DYNA的顯式中心差分算法,對某儲運發(fā)箱式火箭炮撞蓋力進行了數(shù)值仿真分析和模擬實驗測試研究,解決了該火箭炮實彈射擊時無法實測火箭彈撞擊前密封蓋瞬態(tài)響應的難題。對數(shù)值仿真與模擬實驗測試的撞蓋力結果進行了對比,其結果相對誤差小于12%,仿真結果對解決該類火箭炮關鍵技術難題——密封蓋合理設計提供了正確的理論依據(jù)。依據(jù)仿真結果改進后的前密封蓋經實彈射擊試驗驗證,完全達到了技術指標要求。

固體力學;儲運發(fā)箱;火箭彈;撞蓋力;數(shù)值仿真;LS-DYNA

儲運發(fā)箱式發(fā)射技術是火箭炮發(fā)展中的一項新技術,要求儲運發(fā)箱應具有儲存、運輸和發(fā)射于一體的功能。儲存功能就是在出廠時就將火箭彈裝入定向管中,前后密封,滿足火箭彈的儲存年限要求;運輸功能就是儲運發(fā)箱帶彈能夠承受不同運輸環(huán)境的行駛沖擊和振動,保障閉鎖擋彈機構可靠;發(fā)射功能就是將帶彈的儲運發(fā)箱吊裝到火箭炮上不需要打開就能夠直接發(fā)射,能夠給火箭彈賦予射向、轉速和初速。根據(jù)儲運發(fā)箱功能,要求定向管前、后都裝有密封蓋,后密封蓋靠火箭彈尾焰壓力沖開,前密封蓋靠火箭彈出炮口時撞開。若撞蓋力太大,就會影響到引信作用的可靠性和火箭發(fā)動機正常工作,太小就會被火箭彈發(fā)射時的火焰吹破[1]。因此,前密封蓋如何合理設計就成為儲運發(fā)箱式火箭炮的關鍵技術之一,其技術難點是動態(tài)破碎力檢測與仿真。

筆者基于LS-DYNA瞬態(tài)動力學仿真軟件,對某火箭彈撞擊前密封蓋瞬態(tài)響應進行了數(shù)值仿真分析,并與模擬實驗結果進行了對比。

1 撞蓋力數(shù)值仿真模型

1.1 材料模型

由于前密封蓋被火箭彈撞擊后在其預先設計的預應力槽處發(fā)生斷裂,從而使前密封蓋飛離炮口。因此,在撞擊瞬態(tài)響應仿真材料模型選擇時必須考慮一點的就是定義材料失效應變(或失效應力),除此之外,其接觸方式必須定義為侵徹接觸。

根據(jù)實際密封蓋結構使用的材料及撞擊過程,本仿真材料模型選擇塑性隨動強化模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC),材料模型見式(1)[2]。

式中:C為與應變率相關的系數(shù);P為與應變率相關的指數(shù);˙ε為應變率;σ0為初始屈服極限;β為硬化參數(shù);Ep塑性硬化模量;εeefp為等效塑性應變。

根據(jù)密封蓋材料試驗結果及參照參考文獻[3],確定材料模型中的相關參數(shù)。

1.2 載荷

在撞蓋力數(shù)值仿真模型中,模型載荷考慮了發(fā)動機推力、閉鎖力及火箭彈重力對火箭彈的作用,忽略了定向鈕與定向管之間的摩擦力,發(fā)動機推力施加在火箭彈尾端面上。

1.3 數(shù)值仿真模型與計算方法

火箭彈與密封蓋均為對稱結構,有限元分析模型取其四分之一結構,并在對稱面施加面對稱約束。火箭彈與密封蓋碰撞接觸定義為侵徹面面接觸(contact_eroding_surface_to_surface),即:定義密封蓋材料的失效準則,火箭彈與密封蓋撞擊時當密封蓋的接觸表面材料失效后,火箭彈仍與密封蓋表面下層單元接觸,直到密封蓋完全被撞碎,計算輸出接觸力[4]。根據(jù)實際結構裝配關系與使用工況,密封蓋壓邊一周部分簡化為固定約束,密封蓋幾何模型如圖1所示,撞蓋力數(shù)值仿真模型如圖2所示。

本文對火箭彈撞蓋力的模擬計算采用顯式中心差分法,這也是 LS-DYNA3D采用的主要算法,即假定0,t1,t2,…tn時刻的節(jié)點位移、速度與加速度均為已知,現(xiàn)求解tn+1(t+Δt)時刻的結構響應。中心差分法在求解動力學方程時,將其加速度和速度用位移的差分格式代替,即:數(shù);δij為Kronecher符號;K=為材料體積彈性模量。

2 撞蓋力數(shù)值仿真與模擬實驗結果對比

2.1 數(shù)值仿真結果

依據(jù)建立的有限元撞蓋力數(shù)值仿真模型,應用LS-DYNA瞬態(tài)動力學仿真分析軟件對火箭彈撞擊密封蓋過程進行了數(shù)值仿真,數(shù)值仿真結果見表1,撞蓋力曲線如圖3所示。

表1 火箭彈撞擊密封蓋數(shù)值仿真結果T ab.1 Numerical simulation results of rocket impactingseal cap

2.2 模擬實驗及結果

為了進一步確認數(shù)值仿真結果,應用自由落體方法模擬火箭彈撞擊密封蓋過程,實驗直接測試撞蓋力的大小。模擬實驗測試系統(tǒng)由實驗架、模擬彈、密封蓋(實物),密封蓋安裝夾具、力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成。實驗架主要產生火箭彈撞擊密封蓋所需速度,模擬彈彈重及頭部幾何形狀與實際火箭彈相同,力傳感器直接安裝在模擬彈彈頭部,力傳感器安裝如圖4所示。實驗是將模擬火箭彈懸置在距密封蓋2.5 m(力傳感器頭距密封蓋距離)高度位置,然后突然釋放模擬彈,使其自由下落撞擊密封蓋,撞擊速度根據(jù)公式=確定。其中高度h是根據(jù)數(shù)值仿真撞蓋速度結果反推確定的。撞蓋力模擬實驗測試結果見表2,測試曲線如圖5、圖6所示。

表2 模擬實驗撞蓋力測試數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data of impacting force

2.3 數(shù)值仿真與模擬實驗結果對比

對比表1與表2,數(shù)值仿真火箭彈撞蓋力與模擬實驗結果相對誤差為12.0%,誤差產生的原因是:其一,模擬實驗為自由落體,火箭彈除重力作用外無其他作用力,而數(shù)值仿真中除火箭彈重力外,還受到隨時間變化的發(fā)動機推力作用;其二,模擬實驗按自由落體計算模擬彈撞蓋速度為7m·s-1,而數(shù)值仿真撞蓋結束瞬時速度為6.9 m·s-1。

3 仿真結果分析

由于火箭彈發(fā)射出定向管前是被封裝在定向管內的,其發(fā)射過程中撞擊密封蓋瞬時速度、撞擊力大小均無法實驗測試,通過數(shù)值仿真獲得火箭彈撞擊密封蓋瞬態(tài)響應便成為目前唯一的選擇。盡管模擬實驗可以測試撞蓋力,但模擬實驗的前提是首先要知道火箭彈撞擊密封蓋瞬時的速度,再由撞蓋瞬時速度確定實驗時模擬彈的自由下落高度,因此,對于儲運發(fā)箱式火箭炮的撞蓋問題只能通過數(shù)值仿真予以解決。根據(jù)仿真結果,該火箭炮密封蓋經過進一步改進設計,并經實彈射擊試驗驗證,完全達到了技術指標的要求。

通過對撞蓋力數(shù)值仿真過程分析知,影響仿真結果的,主要是結構幾何模型、載荷、邊界約束及材料模型和參數(shù)。在本文研究中,由于火箭彈及密封蓋結構相對簡單,結構幾何模型按照原設計形式保留了全部特征。定向鈕與定向管之間的摩擦力最大不會超過發(fā)動機推力的5%,忽略摩擦力不會對結果造成大的影響。事實上在研究過程中,也曾就摩擦力、火箭彈質量變化對結構響應的影響做過分析,如火箭彈質量增加1.7 kg,火箭彈在定向管內運動時間增加不到1 ms,對撞蓋響應沒有本質影響。除載荷外,材料模型及參數(shù)對仿真結果影響較大,如在數(shù)值仿真過程中發(fā)現(xiàn),在其他參數(shù)不變情況下,密封蓋結構材料彈性模量對其撞擊響應影響較大。當密封蓋材料彈性模量增加時其撞擊力迅速增加,并快速傳遞到預應力槽處,很小的變形即可使密封蓋從預應力槽處斷裂。

4 結 論

綜合分析可以得出結論:目前,數(shù)值仿真是解決儲運發(fā)箱式火箭炮撞蓋問題的唯一選擇,瞬態(tài)動力學仿真不僅可以模擬實際火箭彈撞擊密封蓋的瞬態(tài)響應,解決實際火箭炮實驗中無法測試火箭彈撞擊密封蓋瞬態(tài)響應的難題,而且具有較高的仿真精度,其數(shù)值仿真結果可作為儲運發(fā)箱式火箭炮密封蓋結構改進及優(yōu)化設計的理論依據(jù)。

References)

[1]胡光宇,劉長順,韓珺禮,等.非金屬儲運發(fā)箱技術可行性分析[J].火炮發(fā)射與控制學報,2003(2):59.

HU Guang-yu,LIU Chang-shun,HAN jun-li,et al.The feasibility analysis of nonmetal rocket pod/container(RP/C)technology[J].Journal of Gun Launch&Control,2003(2):59.(in Chinese)

[2]尚曉江,蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006:149-153.

SHANG Xiao-jiang,SU Jian-yu.The dynamic analysis method and engineering instance of ANSYS/LS-DYNA[M].Beijing:China Water Conservancy and Electricity Publishing Company,2006:149-153.(in Chinese)

[3]徐灝.機械設計手冊(第1卷)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991.

XU Hao.The manual of mechanical design(1)[M].Beijing:China Machine Press,1991:378-380.(in Chinese)

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BAI Jin-ze.The basis theory and instance analysis of LS-DYNA3D[M].Beijing:Science Press,2005:30-35,175-180.(in Chinese)

Numerical Simulation and Test Research on Impact Force of Rocket to Seal Cap

ZENG Zhi-yin,NING Bian-fang,SHAO Xiao-jun,LIU Peng-ke,ZHANG Jun-ling

(Northwest Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China)

T he seal cap design of rocket pod/container(RP/C)is one of the key technical problems in rocket launching device.The impacting force in the whole process of test during fire could not be acquired because of the specialty of this kind of rocket.Due to this reason,the impacting force of rocket to seal cap in a certain rocket pod/container(RP/C)were simulated and tested by use of LS-DYNA explicit center difference method.T his method can solve the difficult problem that the instantaneous response of seal cap impacted by rocket can not be tested to obtain during rocket launcher was carrying out the live fire.The numerical simulation results was compared with the test results,and the relative error was less than 12%.The numerical simulation results can provide a correct theory method for proper design of seal cap.According to the numerical simulation results,the improved design of seal cap was verified by means of launching experiment,and it can meet the qualification requirements of rocket launcher system.

solid mechanics;rocket pod/container(RP/C);rocket projectile;impacting force;numerical simulation;LS-DYNA

TJ714

A

1673-6524(2010)04-0020-04

2010-05-11;

2010-07-22

國家安全重大基礎研究項目(613116)資助

曾志銀(1957―),男,研高,主要從事火炮結構強度及射擊精度研究。E-mail:zzy202@126.com