高善清 王高朋

(解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

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艦炮制導(dǎo)炮彈光學(xué)頭罩發(fā)射強(qiáng)度仿真*

高善清 王高朋

(解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

位于艦炮電視制導(dǎo)炮彈前端的光學(xué)頭罩在發(fā)射過程中承受著復(fù)雜的載荷,很難計(jì)算得出光學(xué)罩應(yīng)力值的數(shù)值解析解。運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS,通過建立光學(xué)頭罩的有限元模型,簡(jiǎn)化受力計(jì)算模型,得到光學(xué)頭罩在最高膛壓時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖,依據(jù)材料的力學(xué)特性便可以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核,為光學(xué)頭罩設(shè)計(jì)工作中材料的選擇和結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

有限元; ANSYS; 應(yīng)力; 光學(xué)頭罩

Class Number TJ393

1 引言

艦炮電視制導(dǎo)炮彈是精確制導(dǎo)炮彈的一種,它采用電視制導(dǎo)技術(shù)引導(dǎo)彈丸對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。由于艦炮的特殊性,艦炮電視制導(dǎo)炮彈采用了光學(xué)頭罩以保護(hù)彈載攝像頭在彈丸高速運(yùn)動(dòng)中與空氣摩擦致熱影響。

光學(xué)頭罩位于艦炮電視制導(dǎo)炮彈的最前端,相當(dāng)于導(dǎo)引頭光電系統(tǒng)“眼睛”的保護(hù)罩。它把大氣環(huán)境與彈載攝像頭隔離開來,同時(shí)目標(biāo)的輻射光能通過它可以到達(dá)攝像頭。本文所研究的艦炮電視制導(dǎo)炮彈采用130mm艦炮發(fā)射,在發(fā)射過程中,受膛內(nèi)壓力的作用,彈體將產(chǎn)生很大的加速度,使得光學(xué)頭罩在短時(shí)間內(nèi)承受14000g左右的瞬時(shí)超強(qiáng)過載,如果強(qiáng)度不夠就會(huì)發(fā)生光學(xué)頭罩破裂現(xiàn)象,使導(dǎo)引頭系統(tǒng)無法正常運(yùn)行工作。考慮到光學(xué)頭罩受力環(huán)境的復(fù)雜性,解析法已經(jīng)不能解決此類問題。因此,本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)光學(xué)頭罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析,通過設(shè)定模型材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加外力,最后求解即可得到光學(xué)頭罩的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況,從而為設(shè)計(jì)工作中材料的選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)。

2 光學(xué)頭罩的計(jì)算模型

2.1 光學(xué)頭罩膛內(nèi)受力分析

制導(dǎo)炮彈發(fā)射時(shí)在膛內(nèi)所受到的載荷主要有發(fā)射藥氣體壓力、慣性力、裝填物壓力、彈帶壓力、不均衡力、摩擦力等。這些載荷中以發(fā)射藥氣體壓力(膛壓)為基本載荷。在發(fā)射藥氣體壓力作用下,彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),獲得一定的加速度,并由此引起其他載荷。光學(xué)頭罩位于彈丸的最前端,主要受自身慣性力的作用,其值隨時(shí)間而變化,因此找到它的最大臨界狀態(tài)時(shí)的值,對(duì)于光學(xué)頭罩的設(shè)計(jì)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 p-t曲線

圖2 a-t曲線

圖1是某型艦炮制導(dǎo)炮彈在全號(hào)裝藥情況下的膛壓-時(shí)間曲線,圖2是對(duì)應(yīng)的加速度-時(shí)間曲線。從圖中可以看出,膛壓最大的時(shí)刻出現(xiàn)在5.56ms,最大值為318.1MPa。由于一般所指最大膛壓是在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的數(shù)值,而考慮到實(shí)際作戰(zhàn)條件下的惡劣條件,發(fā)射時(shí)的藥溫會(huì)超過氣溫的最不利條件,相應(yīng)的最大膛壓也將改變[1～2]。一般取計(jì)算膛壓為

p=1.1pm

2.2 光學(xué)頭罩的受力計(jì)算模型

2.2.1 軸向慣性力

炮彈在發(fā)射過程中的軸向加速度為

式中,p為計(jì)算壓力,r為炮彈半徑,m為炮彈總質(zhì)量。

慣性力計(jì)算公式為

式中,mn為炮彈n-n斷面以前部分的質(zhì)量。

2.2.2 徑向慣性力和切向慣性力

由于彈丸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將產(chǎn)生向心加速度,而引起徑向慣性力。隨著彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng),速度越來越大,徑向慣性力也越來越大,直至炮口達(dá)到最大。切向慣性力是由彈丸的角加速度引起的。

由于徑向慣性力和切向慣性力與軸向慣性力相比小得多,而且本文所研究的艦炮制導(dǎo)炮彈在滑動(dòng)彈帶的影響下旋轉(zhuǎn)速度比常規(guī)炮彈低很多,所以可以忽略徑向慣性力和切向慣性力對(duì)強(qiáng)度計(jì)算的影響。

2.3 光學(xué)頭罩的受力簡(jiǎn)化

為了便于計(jì)算和分析,可對(duì)在高過載狀態(tài)下的受力模型進(jìn)行必要的假設(shè)簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化計(jì)算應(yīng)對(duì)計(jì)算的結(jié)果影響不大。根據(jù)以往的計(jì)算經(jīng)驗(yàn),主要對(duì)光學(xué)整流罩模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化假設(shè):

1) 載荷是軸對(duì)稱的。即彈底壓力和彈帶壓力的分布是均勻的,彈帶與身管之間無火藥氣體的泄露;

2) 艦炮制導(dǎo)炮彈在炮膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)比較理想,其各定心部與炮膛之間沒有相互作用;

3) 忽略彈丸前部的空氣阻力以及膛內(nèi)熱對(duì)光學(xué)頭罩的影響。

2.4 光學(xué)頭罩的材料特性

本文所研究的光學(xué)頭罩采用透明高分子復(fù)合材料丙烯酸酯,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

由于用于制導(dǎo)炮彈的光學(xué)頭罩要承受14000g左右的瞬時(shí)超強(qiáng)過載,所選光學(xué)頭罩的材料應(yīng)具備較高的抗壓強(qiáng)度。同時(shí),光學(xué)頭罩具有一定的厚度和折射率,并且在標(biāo)準(zhǔn)條件下,光學(xué)頭罩厚度越小,光的透過能力越大,光束偏離原傳播方向的角度越小。因此,只有采用高強(qiáng)度透明材料才可以有效解決光學(xué)頭罩設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度和厚度的矛盾,使得光學(xué)頭罩在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上提高光學(xué)性能。

本文在研究時(shí)可以將光學(xué)頭罩的透明高分子材料視為線性材料,并且由于該材料是隨即取向的短纖維復(fù)合材料,沿各個(gè)方向的力學(xué)性能接近相同,可以當(dāng)做各向同性的彈性材料來處理。線性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下[3～4]:

{σ}={D}{ε}

式中,{σ}為應(yīng)力矢量,{D}為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣,{ε}為材料的應(yīng)變矢量。

3 光學(xué)頭罩膛內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及分析研究

本文所研究的光學(xué)頭罩和導(dǎo)引頭之間是通過螺紋連接起來的,考慮到簡(jiǎn)化計(jì)算,并且根據(jù)以往彈丸有限元分析計(jì)算結(jié)果,可以將它們之間的螺紋連接簡(jiǎn)化為固定的緊連接件。圖3、圖4分別為光學(xué)頭罩以及連接后的實(shí)體圖。

圖3 光學(xué)頭罩

圖4 導(dǎo)引頭和光學(xué)頭罩連接

3.1 光學(xué)頭罩有限元模型的建立[5～10]

圖5 光學(xué)頭罩有限元模型

圖6 光學(xué)頭罩1/4有限元模型

由于光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,所以為了較真實(shí)地模擬出在瞬間高過載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況,本文對(duì)光學(xué)頭罩進(jìn)行三維建模。在離散光學(xué)頭罩的幾何模型時(shí),選用了單元20node95,該單元有二十個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y、z三個(gè)方向移動(dòng)的自由度,并且在保證精度的同時(shí)允許使用不規(guī)則的形狀,適用于曲線邊界的建模。最終光學(xué)頭罩的有限元模型如圖5、圖6所示,該有限元模型共生成45249個(gè)節(jié)點(diǎn),10209個(gè)單元。

3.2 光學(xué)頭罩的應(yīng)力計(jì)算和分析

光學(xué)頭罩后斷面和導(dǎo)引頭前斷面相接觸,與導(dǎo)引頭的鋁合金材料相比,光學(xué)頭罩材料剛度要小得多,因此,計(jì)算光學(xué)頭罩強(qiáng)度時(shí)在導(dǎo)引頭和頭罩的接觸面上施加約束。光學(xué)頭罩在發(fā)射瞬間主要受到自身的慣性力作用,因?yàn)榧s束了接觸面,所以在計(jì)算時(shí)對(duì)光學(xué)頭罩施加自身慣性力作用即可。

經(jīng)計(jì)算所得光學(xué)頭罩在最大膛壓時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖7所示。由光學(xué)頭罩的應(yīng)力分布云圖可知,當(dāng)膛壓達(dá)到最大時(shí),光學(xué)頭罩的最大應(yīng)力出現(xiàn)在有較大結(jié)構(gòu)突變的有效通光孔與螺紋交接處,其值為44.4MPa左右。而光學(xué)頭罩材料的強(qiáng)度極限為35.3MPa,說明這種結(jié)構(gòu)不是很合理,如果采用,則會(huì)由于應(yīng)力集中造成強(qiáng)度失效,從而可能影響導(dǎo)引頭正常工作,最終使彈丸偏離目標(biāo)。為了減小應(yīng)力集中,可以在應(yīng)力集中部位增加過渡圓弧,如圖8所示。圖9從左到右分別是增加半徑1mm、2mm、3mm過渡圓弧后的光學(xué)頭罩應(yīng)力分布云圖。各種情況的最大集中應(yīng)力列表如表2所示。

圖7 光學(xué)頭罩最大過載時(shí)的應(yīng)力分布云圖

圖9 增加過渡圓弧后的光學(xué)頭罩應(yīng)力分布云圖

rσ1mm37MPa2mm27.4MPa3mm23.8MPa

從以上的計(jì)算結(jié)果來分析,隨著圓弧半徑的增大,應(yīng)力集中有所下降,但隨著圓弧半徑的增大,再增大圓弧半徑對(duì)應(yīng)力集中的減小作用開始減弱。

4 錘擊試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證光學(xué)頭罩是否滿足抗過載性能(20,000g)要求。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置與器材:CL-50沖擊試驗(yàn)臺(tái)(含DMSA沖擊放大器)、夾具、電源、示波器、監(jiān)視器。

4.3 試驗(yàn)實(shí)施

1) 將DMSA沖擊放大器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上,并盡可能靠近中心位置。

2) 根據(jù)需加載的加速度載荷和沖擊脈寬選擇相對(duì)應(yīng)的彈性波形墊(置于沖擊座上)和波形塊(用螺釘緊固連接)。

3) 將光學(xué)頭罩用夾具緊固在臺(tái)面上。

4) 對(duì)光學(xué)頭罩加正向過載(20000g)。

圖10 光學(xué)頭罩錘擊試驗(yàn)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

完成對(duì)光學(xué)頭罩的20次沖擊(最高20000g),光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)無明顯變形,光澤度較好,透光性能滿足攝像機(jī)成像需要。

5 結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS對(duì)光學(xué)頭罩進(jìn)行建模和仿真,可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考,較以前的工程計(jì)算有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)頭罩在發(fā)射過程中其有效通光孔與螺紋交接的部位存在著較大的應(yīng)力集中,這是由于此部位有較大的結(jié)構(gòu)突變引起的,這就要求光學(xué)頭罩在設(shè)計(jì)中盡量采取圓弧過渡,減少應(yīng)力集中區(qū)域。

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Firing Strength Simulation of the Optical Window for Naval Gun Guided Projectile

GAO Shanqing WANG Gaopeng

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031)

The optical window located in the front of naval gun TV guided projectile bears the complex load in the process of firing. It is difficult to calculate the optical window’s stress value of the numerical analytic solution. Using the general finite element software ANSYS, the optical window’s finite element model is established, mechanical calculation model is simplified, the stress distribution cloud of the optical window is got when its bearing the maximum bore pressure. Based on the mechanical properties of material, it can check the strength of the optical window and provide the theoretical basis of selecting material and optimizing the structure in design work.

finite element, ANSYS, stress, optical window

2014年10月11日,

2014年11月27日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):11172331)資助。

高善清,男,碩士,教授,研究方向:武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程。王高朋,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程。

TJ393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.042