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      炮口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)炮口性能的影響分析

      2015-12-31 11:07:26王立君趙俊利雷紅霞李大勇殷鵬賢
      機(jī)械工程與自動(dòng)化 2015年4期
      關(guān)鍵詞:側(cè)孔炮口身管

      王立君,趙俊利,雷紅霞,劉 凱,李大勇,殷鵬賢

      (中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

      0 引言

      數(shù)值模擬方法為炮口制退器效率的計(jì)算提供了新的解決途徑?;谂诳诹鲌?chǎng)模擬可以求解具有各種復(fù)雜形狀的炮口制退器的效率,突破了傳統(tǒng)方法只能求解特殊結(jié)構(gòu)炮口制退器效率且計(jì)算公式比較繁瑣等限制,而且可以得到在運(yùn)動(dòng)彈丸影響下的炮口超壓場(chǎng)分布和炮口制退器受力情況,現(xiàn)已成為計(jì)算炮口制退器效率的主要手段。采用流場(chǎng)數(shù)值模擬方法來研究炮口流場(chǎng)比較接近實(shí)際,且流場(chǎng)信息更加全面、直觀,計(jì)算過程更顯方便,同時(shí)更有助于炮口制退器的設(shè)計(jì)。

      1 計(jì)算模型說明

      1.1 模型簡(jiǎn)化

      依照實(shí)際情況,對(duì)炮口制退器進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:①建立的炮口制退器計(jì)算模型只有一個(gè)側(cè)孔及擋板;②火炮身管與炮口制退器內(nèi)徑相等。最終得到炮口制退器的二維簡(jiǎn)化模型如圖1所示,其中,A為側(cè)孔傾角,B為擋板角度。

      圖1 炮口制退器的二維簡(jiǎn)化模型

      1.2 建立計(jì)算模型

      為排除干擾因素,各組炮口制退器模型的側(cè)孔寬度、外徑、總長(zhǎng)均保持不變,A、B分別取值50°、60°、70°,兩兩組合總共建立9組計(jì)算模型。為方便下文描述,將以上9組模型按照“A-B”的模式依次記為“50-50”、“50-60”、“50-70”、“60-50”、“60-60”、“60-70”、“70-50”、“70-60”、“70-70”。

      在炮口制退器周圍建立流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域,各組模型的邊界條件設(shè)置保持一致,炮口制退器二維流場(chǎng)計(jì)算模型如圖2所示。

      圖2 炮口制退器二維流場(chǎng)計(jì)算模型

      2 炮口制退器性能評(píng)價(jià)

      2.1 炮口制退器效率計(jì)算方法

      首先通過對(duì)后效期運(yùn)動(dòng)彈丸影響下的膛內(nèi)火藥氣體排空的數(shù)值模擬,對(duì)不帶和帶炮口制退器的身管受力進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到炮膛合力隨時(shí)間的變化曲線;然后將受力曲線對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到后效期身管所受炮膛合力的全沖量,根據(jù)沖量定理來計(jì)算身管最終的自由后坐速度;最后根據(jù)炮口制退器效率的定義,利用下式計(jì)算其效率:

      2.1.1 后效期開始時(shí)身管自由后坐速度的計(jì)算

      內(nèi)彈道過程中,對(duì)于自由后坐運(yùn)動(dòng)的彈丸、裝藥和后坐部分組成的系統(tǒng)而言,由于沒有后坐阻力的作用,而且火藥氣體的作用力為內(nèi)力,系統(tǒng)在炮膛軸線方向上所受外力之和為零,則滿足在該方向上的動(dòng)量守恒。根據(jù)動(dòng)量守恒定理可得內(nèi)彈道時(shí)期身管自由后坐速度W為:

      其中:v為內(nèi)彈道時(shí)期彈丸運(yùn)動(dòng)速度;q為彈丸質(zhì)量;w為火藥質(zhì)量。

      內(nèi)彈道結(jié)束的時(shí)刻就是后效期開始的時(shí)刻,由式(1)可知后效期開始時(shí)身管的自由后坐速度Wi為:

      其中:vg為彈丸出炮口時(shí)的速度。

      2.1.2 后效期結(jié)束時(shí)身管最大自由后坐速度的計(jì)算根據(jù)動(dòng)量定理,后效期內(nèi)任意時(shí)刻的后坐部分動(dòng)能的增量等于炮膛合力的沖量,即:

      其中:Ii、Whi分別為后效期內(nèi)任意時(shí)刻的炮膛合力沖量和身管自由后坐速度;Fpti為后效期內(nèi)任意時(shí)刻合力。由此可得后效期內(nèi)身管的自由后坐速度Whi為:

      由式(5)可得后效期結(jié)束時(shí)身管的最大自由后坐速度Wmaxi為:

      其中:T為后效期結(jié)束的時(shí)間。

      將后效期結(jié)束時(shí)身管的最大自由后坐速度Wmax0和Wmax1代入式(1)即可計(jì)算出炮口制退器的能量效率。

      2.2 仿真分析及計(jì)算結(jié)果

      (1)選擇側(cè)孔傾角為50°,擋板角度依次為50°、60°、70°進(jìn)行仿真分析。當(dāng)側(cè)孔傾角為50°、擋板角度為50°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖3所示。將圖3中的合力曲線對(duì)時(shí)間積分,可以得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 164.374 1N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=12.981 250 5%。

      當(dāng)側(cè)孔傾角為50°、擋板角度為60°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖4所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 455.320 4N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=11.010 730 2%。

      當(dāng)側(cè)孔傾角為50°、擋板角度為70°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖5所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 672.255 6N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=9.527 114 4%。

      (2)選擇側(cè)孔傾角為60°,擋板角度依次為50°、60°、70°進(jìn)行仿真分析。當(dāng)側(cè)孔傾角為60°,擋板角度為50°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖6所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 298.875 3N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=11.713 843 1%。

      圖3 50-50炮口制退器合力隨時(shí)間變化曲線

      圖4 50-60炮口制退器合力隨時(shí)間變化曲線

      圖5 50-70炮口制退器受力隨時(shí)間變化曲線

      當(dāng)側(cè)孔傾角為60°、擋板角度為60°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖7所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 652.350 7N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=9.663 754 7%。

      當(dāng)側(cè)孔傾角為60°、擋板角度為70°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖8所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 830.500 8N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=8.744 989 3%。

      圖6 60-50炮口制退器受力隨時(shí)間變化曲線

      圖7 60-60炮口制退器合力隨時(shí)間變化曲線

      圖8 60-70炮口制退器受力隨時(shí)間變化曲線

      (3)選擇側(cè)孔傾角為70°,擋板角度依次為50°、60°、70°進(jìn)行仿真分析。當(dāng)側(cè)孔傾角為70°,擋板角度為50°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖9所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 393.840 4N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=11.428 960 2%。

      當(dāng)側(cè)孔傾角為70°、擋板角度為60°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖10所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 709.195 8N·s,進(jìn)而計(jì)算出該模型炮口制退器效率η=9.273 259%。

      當(dāng)側(cè)孔傾角為70°、擋板角度為70°時(shí),流場(chǎng)計(jì)算監(jiān)測(cè)的炮口制退器合力如圖11所示。同理,得到炮口制退器所受合力的沖量I=4 913.344 6N·s,進(jìn)而計(jì) 算出該模型炮口制退器效率η=7.863 921 6%。

      圖9 70-50炮口制退器受力隨時(shí)間變化曲線

      圖10 70-60炮口制退器合力隨時(shí)間變化曲線

      圖11 70-70炮口制退器受力隨時(shí)間變化曲線

      將以上計(jì)算結(jié)果匯總得到不同側(cè)孔及擋板角度對(duì)應(yīng)的炮口制退器效率,見表1。

      表1 不同側(cè)孔傾角及擋板角度對(duì)應(yīng)的炮口制退器效率%

      3 結(jié)論

      (1)當(dāng)炮口制退器的擋板角度及側(cè)孔傾角均為50°時(shí),炮口制退器的效率最高。

      (2)當(dāng)炮口制退器的擋板角度及側(cè)孔傾角均為70°時(shí),炮口制退器的效率最低。

      (3)炮口制退器效率隨著擋板角度和側(cè)孔傾角的增大而減小,擋板角度較側(cè)孔傾角對(duì)炮口制退器效率的影響作用更顯著。

      [1]譚中林.基于CFD的低沖擊波炮口制退器研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009:20-38.

      [2]李鴻志,尤國釗.炮口沖擊波的形成和分布規(guī)律以及對(duì)減小沖擊波途徑的分析[J].華東工程學(xué)院學(xué)報(bào),1977(1):26-48.

      [3]李鴻志.炮口裝置受力與效率計(jì)算[J].華東工程學(xué)院學(xué)報(bào),1984(3):1-17.

      [4]王仕松,鄭堅(jiān),賈長(zhǎng)治,等.帶制退器的膛口流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].火力與指揮控制,2011,36(2):148-151.

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