艦炮抽殼機(jī)構(gòu)抽殼過程仿真分析

譚 波，侯 健，可學(xué)為，劉慧敏

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033)

艦炮抽殼機(jī)構(gòu)抽殼過程仿真分析

譚 波，侯 健，可學(xué)為，劉慧敏

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033)

針對(duì)艦炮抽殼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了抽殼機(jī)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真模型；得到了抽殼力隨時(shí)間的變化曲線和藥筒速度隨時(shí)間的變化曲線；分析了抽筒模板位置變化對(duì)藥筒速度的影響。分析結(jié)果表明，隨著抽筒模板的下移，藥筒速度會(huì)逐漸減小，下移幅度小于3 mm時(shí)，藥筒速度減小的幅度不大，不會(huì)影響抽殼效果；下移幅度大于3 mm時(shí)，藥筒速度大幅度減小，嚴(yán)重影響抽殼質(zhì)量甚至無法抽出藥筒；抽筒左右位置的的變化對(duì)藥筒的速度影響較小，不會(huì)影響抽殼質(zhì)量。

艦炮；抽殼機(jī)構(gòu)；抽殼力；仿真

抽殼機(jī)構(gòu)是艦炮炮閂系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一，其主要作用是抽出發(fā)射后留在炮膛內(nèi)的藥筒。抽殼機(jī)構(gòu)工作狀況的好壞直接影響著抽殼過程及后續(xù)的炮彈進(jìn)膛。

由于抽殼過程是一個(gè)包含彈塑性變形、接觸、摩擦等復(fù)雜因素的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程，各個(gè)零件的相互作用非常復(fù)雜，建立力學(xué)模型非常困難[1]。在抽殼過程及抽殼力的研究方面，文獻(xiàn)[2]考慮了膛線的作用，對(duì)藥筒發(fā)射應(yīng)力和抽殼力進(jìn)行了研究;并對(duì)開閂時(shí)間、藥筒與身管之間的初始間隙對(duì)抽殼力的影響進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[3]對(duì)自動(dòng)武器的抽殼過程及抽殼力進(jìn)行了仿真計(jì)算；并對(duì)影響抽殼力的因素進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]借助于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)某自動(dòng)武器的彈性拋殼過程進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[5]基于柔體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)某炮閂抽殼過程進(jìn)行了研究，分析了抽筒子重要區(qū)域的受力變形情況。文獻(xiàn)[6]基于文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，建立了抽筒子在危險(xiǎn)工況下的等效有限元模型，對(duì)抽筒子進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化。

總的來說，對(duì)抽殼過程的研究主要集中在抽殼力方面，對(duì)相關(guān)參數(shù)對(duì)抽殼后藥筒速度的影響研究較少。

筆者以艦炮的抽殼機(jī)構(gòu)為工程實(shí)例，運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)該機(jī)構(gòu)的抽殼過程進(jìn)行了仿真，得到了抽殼力及藥筒速度的變化規(guī)律，討論了抽殼模板位置對(duì)抽殼后藥筒速度的影響。

1 抽殼機(jī)構(gòu)工作原理

抽殼機(jī)構(gòu)主要由抽筒子、搖臂、抽筒模板、身管及藥筒組成，抽筒子與搖臂通過軸安裝在炮尾上，抽筒模板固定在炮架上。抽筒子上端與藥筒底緣接觸，下端與搖臂上端接觸；搖臂下端可與抽筒模板接觸。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

抽殼機(jī)構(gòu)工作之前，火藥在炮膛內(nèi)爆炸形成瞬時(shí)的高溫和高壓(最大壓力可達(dá)430 MPa)，彈頭沿身管向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)藥筒徑向膨脹并產(chǎn)生塑性變形，緊貼于身管內(nèi)壁。

艦炮快要復(fù)進(jìn)到位時(shí)，抽殼機(jī)構(gòu)開始工作。抽殼機(jī)構(gòu)的搖臂與安裝在炮架上的抽筒模板發(fā)生碰撞，搖臂在抽筒模板的作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，搖臂的上端與抽筒子的下端發(fā)生碰撞，抽筒子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。抽筒子上端與藥筒底緣相接觸，藥筒在抽筒子的作用下從炮膛內(nèi)抽出，并以一定的速度向后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入排殼裝置排出。

2 計(jì)算模型

分析之前，作如下假設(shè)：

1)身管簡(jiǎn)化為厚壁圓筒。

2)除藥筒外，在分析過程中不考慮其他部件的塑性變形。

有限元模型如圖2所示。

各部件的材料性能如表1所示，藥筒材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)如圖3所示。

表1 各部件材料性能

將火藥氣體壓力以壓力載荷的形式加在藥筒內(nèi)壁上，最大膛壓為430.8 MPa，壓力曲線如圖4所示。

抽殼機(jī)構(gòu)工作時(shí)，隨炮尾一起做復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的藥筒、身管、抽筒子及搖臂撞擊固定在搖架上的抽筒模板。由于撞擊前后，炮尾的速度基本沒有變化，可近似地認(rèn)為炮尾以一恒定的速度撞擊抽筒模板。為分析方便，假定隨炮尾一起做后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的藥筒、身管、抽筒子及搖臂不動(dòng)，而換為抽筒模板以一定的速度運(yùn)動(dòng)，撞擊搖臂下端。抽筒子及搖臂通過軸與炮尾連接，通過定義Hinge連接來模擬。身管與藥筒、藥筒與抽筒子、抽筒子與搖臂、搖臂與抽殼模板之間定義接觸；身管與藥筒之間定義摩擦，摩擦因數(shù)為0.1。

建立兩個(gè)分析步驟，分別模擬火藥爆炸和抽殼運(yùn)動(dòng)。

1)藥筒施加軸向固定約束。藥筒內(nèi)表面施加膛壓，模擬火藥爆炸過程，分析時(shí)間為20 ms。

2)移除藥筒的軸向固定及膛壓，給抽筒模板施加一定的速度，模擬抽殼過程，分析時(shí)間為100 ms。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

兩個(gè)抽筒子與藥筒之間的接觸力之和即為抽殼力，抽殼力曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，抽殼力在抽殼子的作用下瞬間從0變化到最大值，然后又急速下降到0，變化過程約持續(xù)5.5 ms；在最大膛壓為430.8 MPa，摩擦因數(shù)為0.1的仿真條件下，仿真計(jì)算得到的最大抽殼力為106.2 kN。試驗(yàn)測(cè)得抽殼力的峰值為115 kN[7]。比較仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，最大值誤差為8%，仿真結(jié)果真實(shí)可信，證實(shí)了有限元模型的合理性和正確性。

仿真得到抽殼后藥筒的速度如圖6所示。

由圖6可以看出，在抽筒子的作用下，藥筒的速度急劇增大，最終達(dá)到14.9 m/s。

3.2 模板位置對(duì)藥筒速度的影響分析

由于實(shí)際安裝及工作過程中的磨損，抽筒模板的位置(包括上下位置和左右位置)會(huì)產(chǎn)生偏差，勢(shì)必對(duì)抽殼后藥筒的速度產(chǎn)生影響，而一定的藥筒速度是保證藥筒順利、可靠進(jìn)入排殼裝置的前提，藥筒速度過小，藥筒不能順利進(jìn)入排殼裝置，滯留在輸彈通道上，必定對(duì)艦炮的后續(xù)發(fā)射造成影響，甚至可能引發(fā)事故。

仿真過程中，抽筒模板的上下位置可直接調(diào)整，抽筒模板的左右位置主要是影響模板與搖臂下端的碰撞時(shí)機(jī)，亦即碰撞速度，可通過調(diào)整抽筒模板的速度來實(shí)現(xiàn)。用有限元方法在上面仿真的基礎(chǔ)上改變參數(shù)進(jìn)行多次仿真，來研究藥筒速度隨抽筒模板位置移動(dòng)的變化情況。

抽筒模板上下位置的變化對(duì)藥筒速度的影響如圖7所示?？梢钥闯?，隨著抽筒模板位置的下移，藥筒的速度逐漸減小。下移距離小于3 mm時(shí)，藥筒速度減小得比較平緩，藥筒速度對(duì)下移距離的靈敏度約為100 s-1；下移距離大于3 mm時(shí)，藥筒的速度迅速下降；下移距離達(dá)6 mm時(shí)，藥筒速度為0，抽筒子已經(jīng)無法抽出藥筒。故在機(jī)構(gòu)安裝及調(diào)試過程中，一定要控制好抽筒模板搖臂的相對(duì)位置；在工作的過程中，要注意抽筒模板及搖臂下端的磨損情況，以便及時(shí)調(diào)整或更換。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮增加抽筒模板及搖臂下端的耐磨性，以增長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的工作壽命。

由于炮尾的復(fù)進(jìn)速度比較平穩(wěn)，故抽筒模板在一定范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，其與搖臂的碰撞速度的變化較小，以0.1 m/s的變化量來考慮，模板速度變化對(duì)藥筒速度的影響如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著抽殼時(shí)碰撞速度的增大，藥筒的速度也相應(yīng)增大，兩者基本成線性變化，藥筒速度對(duì)碰撞速度的靈敏度約為4。在實(shí)際當(dāng)中考慮到各種因素，抽筒模板在左右移動(dòng)時(shí)，抽筒模板與搖臂之間的碰撞速度不會(huì)變化過大，所以碰撞速度的變化對(duì)藥筒速度的影響是有限的。抽筒模板左右位置的選擇主要要考慮抽殼機(jī)構(gòu)與開閂機(jī)構(gòu)的匹配問題。

4 結(jié)論

1)隨著抽筒模板的下移，藥筒速度逐漸減小。下移距離小于3 mm時(shí)，藥筒速度減小得比較平緩，對(duì)抽殼效果影響不大；下移距離大于3 mm時(shí)，藥筒的速度迅速下降，嚴(yán)重影響抽殼效果甚至無法抽出藥筒。故要控制抽筒模板相對(duì)搖臂的安裝精度；同時(shí)，增強(qiáng)搖臂及抽筒模板的耐磨性。

2)抽筒模板的左右位置變化對(duì)藥筒的速度影響不大，不會(huì)影響抽殼效果。但在實(shí)際機(jī)構(gòu)中，抽筒模板的左右位置會(huì)影響到與開閂機(jī)構(gòu)的配合。

本文的研究結(jié)果可為抽殼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝使用提供參考。

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SimulationAnalysisofNavalGunExtractorMechanisminProcessofCartridgeCaseExtraction

TAN Bo, HOU Jian, KE Xuewei, LIU Huimin

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

Aimed at the special structure of naval gun extractor mechanism, the FEA dynamics simulation model of the extractor mechanism was established. The time-curve of extraction force and cartridge case velocity were acquired. The influences of extraction plate position on velocity of cartridge case were analyzed by use of the simulation data. The analysis results showed that as the extraction plate moves down, the velocity of cartridge case gradually decreases, when the shift-down distance is less than 3mm, the effect is little; when the distance is more than 3mm, the velocity of cartridge case was greatly reduced, this has seriously impact on extraction quality even make the gun cannot extract the cartridge case. The influence of extraction plate variation in the left position and right position on velocity of cartridge case is little, this cannot affect the extraction quality of the gun extractor mechanism.

naval gun；extractor mechanism；extraction force；simulation

2014-02-13；

2014-06-30

譚波(1979-)，男，博士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：turbo1996@126.com

TJ413

A

1673-6524(2014)04-0049-04