加榴炮末敏彈的螺紋連接失效機理分析

梁建峰，岳浩然，劉文舉，楊 力，楊 廣，李光濤

(西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

坦克裝甲車輛在現代戰爭中依然占據主導地位,反裝甲任務迫切,而具有高效費比的末敏彈可以有效毀傷裝甲目標[1-3]。末敏彈[4]全稱末端敏感彈藥,又稱“敏感器引爆彈藥”或“現代末敏彈”,是一種能夠在彈道末端探測出目標的存在,并使戰斗部朝著目標方向爆炸的現代彈藥,主要用于自主攻擊裝甲車輛的頂裝甲。末敏子彈工作時以母彈為載體抵達目標上空,在規定高度從母彈中拋出,經過減速減旋后,張開主旋傘,并繼續減速,直到達到穩定狀態,此時傘-彈系統一邊勻速下降,一邊繞鉛垂線勻速旋轉[5]。在21世紀信息化戰場上具有作戰距離遠、命中概率高、毀傷效果好、效費比高和發射后不管等優點[6]。

加榴炮末敏彈適配于混合膛線身管(前段為漸速膛線,后段為等齊膛線)的自行加榴炮(以下簡稱自行炮)。該末敏彈在與等齊膛線身管的車載加榴炮武器系統(以下簡稱車載炮)的適配性試驗中出現了炮口彈底脫落的現象。新型車載炮與自行炮的炮管坡膛結構相同,其內彈道結構也一致,區別僅在于膛線。試驗結果證明末敏彈不能適配于等齊膛線身管的新型車載炮。

因此,結合有限元動力學仿真分析方法,通過對彈丸擠入膛線過程及其導旋機理的細致分析,判斷彈底脫落原因,并給出末敏彈結構改進設計的方案,通過試驗證明其改進可行性。

1 末敏彈結構組成與功能概述

炮射末敏彈由末敏彈丸和發射裝藥組成,其中末敏彈丸由母彈和兩枚末敏子彈組成。兩條導帶分別位于彈體和彈底上,彈底與彈體由左旋螺紋連接。末敏子彈的導旋鍵嵌入母彈內壁上的鍵槽內,結合彈底摩擦力的作用使得在發射過程中子彈和母彈不發生相對旋轉。末敏彈丸結構如圖1所示。末敏彈飛行到目標上空后引信作用點燃拋射藥,在火藥氣體的作用下剪斷彈底與彈體的連接螺紋,拋射出兩枚末敏子彈,之后完成分離開傘、穩態掃描并作用攻擊的流程。

2 彈底脫落原因分析

彈底和彈體由螺紋連接[7],此連接螺紋既需要在發射過程中承擔兩枚子彈的軸向過載,還需要保證在子彈拋射過程中可以可靠剪斷。文中主要對彈底在擠入膛線過程中的螺紋失效進行分析。

彈丸擠入膛線時,僅后導帶凸緣前沿與坡膛內壁接觸,導帶其他部分不和坡膛接觸。導帶坡膛內定位狀態如圖2所示。

圖2 導帶膛內定位狀態Fig.2 Positioning status inside the guide belt bore

在彈丸擠入過程中,與坡膛部位接觸的導帶發生了復雜的彈塑性變形,后導帶與坡膛的接觸面積逐漸增大并在接觸面上產生接觸應力。彈丸嵌入過程的導帶和炮管之間的摩擦阻力與接觸應力和接觸面積相關[8]：

Ff=?τKcosαKdSK

(1)

式中：Ff為帶和炮管之間的摩擦阻力;τK為導帶與炮管之間的切向接觸應力;αK為坡膛角;SK為坡膛與導帶的接觸面積。

在后導帶即將嵌入膛線的時刻,導帶與坡膛的接觸面積最大,摩擦阻力也達到最大值。前導帶嵌入火炮身管膛線過程中,因身管膛線纏角產生的導旋力矩使彈丸順時針旋轉(從彈底向彈頭看右轉)。由于后導帶和坡膛之間存在摩擦阻力,進而產生一個阻礙彈底與彈體同步旋轉的左旋力矩,該力矩使彈底與彈體的連接螺紋越旋越緊。當彈丸軸向運動一定距離時,前導帶完全嵌入膛線,后導帶前沿接觸膛線,此時后導帶與坡膛的接觸面積最大,摩擦力達到最大值,阻礙彈底與彈體同步旋轉的左旋力矩也達到最大值,且與彈丸的導旋力矩相當。此時,當彈底與彈體之間的連接螺紋所能承受的力矩小于彈丸導旋力矩時,連接螺紋將被破壞,彈底脫落。

2.1 彈丸擠進過程螺紋破壞理論計算

在彈丸擠進過程中,彈體和彈底連接螺紋上的擰緊力矩為彈丸的導轉力矩,導轉力矩正比于身管膛線纏角正切值和膛壓[9]：

(2)

式中：M為導旋力矩;p為膛壓;Jx為彈丸極轉動慣量;m為彈丸質量;α為膛線纏角;d為彈丸直徑。

經計算,車載炮上的導轉力矩為13 158 N·m,自行炮上的導轉力矩為5 299 N·m。從結果可以看出在該位置等齊膛線產生的導轉力矩均是漸速膛線的2.5倍。

在后導帶嵌入膛線之前,由于導帶和坡膛之間摩擦阻力矩的存在,彈底不旋轉,導轉力矩作用在連接螺紋上產生的擰緊力矩等于螺紋副間的摩擦阻力矩和彈體、彈底接觸環形端面摩擦阻力矩之和。即：

T=T1+T2

(3)

(4)

(5)

則螺紋上受到的軸向力為：

(6)

式中：T為擰緊力矩;T1為螺紋副間的摩擦阻力矩;T2為彈體、彈底接觸環形端面摩擦阻力矩;F為連接螺紋上受到的軸向力;dcp為螺紋中徑;λ為螺紋升角;ψ為螺紋副的當量摩擦角,ψ=arctan(1.155fd)(fd為摩擦系數,fd=0.10～0.15);f為彈體、彈底接觸環形端面摩擦系數,取0.15;D0為彈體、彈底接觸環形端面外徑;d0為彈體、彈底接觸環形端面內徑。

根據不同的當量摩擦角可分別計算后導帶接觸膛線時連接螺紋所受到的軸向力：等齊膛線在535 895～649 558 N之間,漸速膛線在218 051～264 300 N之間。

螺紋牙在軸向力作用下,產生的剪切應力為：

(7)

式中：τ為螺紋牙剪切應力;kz為載荷不均系數,kz≈0.5;d2為彈底螺紋小徑;b為單個螺紋剪切寬度,b=0.87p,p為螺距;u為連接扣數。

根據不同的當量摩擦角計算彈底和彈體之間連接螺紋剪切應力。計算結果如表1所示。

表1 螺紋牙剪切應力計算結果Table 1 Calculation results of shear stress on threaded teeth

彈底材料的屈服極限為1 300 MPa,選擇的剪切許用應力為650 MPa。計算結果表明,在等齊膛線火炮上,末敏彈在導帶嵌入膛線過程中,連接螺紋產生的剪切應力在740～897 MPa之間,大于其許用剪切應力,引起螺紋破壞。在漸速膛線火炮上,連接螺紋產生的最大剪切應力為365 MPa,小于其許用剪切應力,連接螺紋不會被破壞。

2.2 彈丸擠進過程有限元動力學仿真分析

為進一步驗證破壞原因,采用動力學仿真方法,分別模擬末敏彈嵌入兩種不同身管的過程,分析導帶、彈體和彈底之間的連接螺紋在不同身管結構下的受力狀況和運動情況。

對身管結構進行分析、計算,結合TureGrid軟件建立身管非線性六面體有限元模型。

結合TureGrid軟件建立末敏彈非線性六面體有限元模型,末敏彈全彈及螺紋連接模型見圖3。

圖3 全彈及螺紋連接模型Fig.3 Full shell and threaded connection model

發射過程動力學仿真主要分析導帶擠進膛線過程中,彈體螺紋、彈底螺紋受力情況,彈丸運動范圍為導帶由坡膛完全擠進膛線階段。在數值模擬時,選擇局部身管作為研究對象,為提高計算效率,將末敏彈部分零部件等效為剛性材料。為精確模擬導帶擠進膛線時的成型過程,將導帶部分轉化為無網格光滑粒子[10],導帶模型如圖4所示。

圖4 局部光滑粒子導帶Fig.4 Local smooth particle conduction band

2.2.1 彈丸在等齊膛線身管發射過程分析

分析計算了末敏彈在等齊膛線身管中從開始運動到彈底導帶完全擠進膛線的過程,圖5為不同時刻螺紋剖面受力云圖。將彈底螺紋作單獨分析,在彈體導帶全部擠進膛線時,彈底螺紋應力云圖見圖6、圖7。

圖5 不同時刻彈體螺紋、彈底螺紋剖面受力云圖(等齊膛線身管)Fig.5 Force cloud map of the thread profile of the projectile body and the bottom of the projectile at different times(equal rifling barrel)

圖6 彈底螺紋受力云圖(等齊膛線身管)Fig.6 Force cloud diagram of projectile bottom thread(equal rifling barrel)

圖7 彈底螺紋應力大于1 300 MPa區域(等齊膛線身管)Fig.7 Area with the stress on projectile botton thread above 1 300 MPa(equal rifling barrel)

由計算結果可知,在等齊膛線身管中,當彈底導帶開始擠進坡膛時,由于彈體導帶已經部分擠進膛線,彈體螺紋、彈底螺紋緊密貼合,螺紋牙開始受力;當彈體導帶全部擠進膛線時,部分螺紋牙網格單元應力超過螺紋材料的屈服極限,出現失效現象;在彈底導帶嵌入膛線之前,彈體開始旋轉,彈底不產生旋轉。

由圖6、圖7可以看出,在彈體導帶完全嵌入膛線時刻,彈底螺紋綜合應力大于材料屈服極限1 300 MPa的區域已經貫穿整個螺紋寬度,該區域主要出現在螺紋起點和終點之間連接扣數少的部位。

2.2.2 彈丸在漸速膛線身管發射過程分析

分析計算了末敏彈在漸速膛線身管中從開始運動到彈底導帶完全擠進膛線的過程,圖8為不同時刻螺紋剖面受力云圖。將彈底螺紋局部單獨分析,在彈體導帶全部擠入膛線時,彈底螺紋應力云圖見圖9、圖10。

圖8 不同時刻彈體螺紋、彈底螺紋剖面受力云圖(漸速膛線身管)Fig.8 Cloud diagram of the force on the body thread and bottom thread of the projectile at different times(gradual rifling barrel)

圖9 彈底螺紋受力云圖(漸速膛線身管)Fig.9 Force cloud diagram of projectile bottom thread(gradual rifling barrel)

圖10 彈底螺紋應力大于1 300 MPa區域(漸速膛線身管)Fig.10 Area with the stress on projectile botton thread above 1 300 MPa(gradual rifling barrel)

由計算結果可知：在漸速膛線身管火炮中,當彈底導帶開始擠進坡膛時,由于彈體螺紋已經部分擠進膛線,彈體螺紋、彈底螺紋緊密貼合,螺紋牙開始受力;彈體導帶全部擠進膛線時,螺紋牙產生的應力最大,但值小于彈底材料屈服極限,螺紋不會被破壞[11];在彈底導帶嵌入膛線之前,彈體開始旋轉,彈底不產生旋轉。

2.3 彈底脫落原因分析總結

經過分析計算,可以定位彈底脫落原因為：彈底在擠入膛線的過程中發生螺紋破壞。目前彈丸的導帶形式(彈體、彈底上各一條)使得前導帶在嵌入膛線過程中彈底、彈體相對旋轉,由于等齊膛線身管纏角大[12],導致導轉力矩過大,從而造成彈底與彈體的連接螺紋被破壞。

3 結構改進方案設計

改進方案主要考慮使導帶在擠入膛線過程螺紋連接結構可靠。對導帶布局形式進行調整,將原彈底上的后導帶移至彈體上,形成兩條導帶都在彈體上的布局形式。按此方案調整后,在導帶嵌入膛線導轉過程中,彈丸開始旋轉,導旋力矩作用在彈體上,彈底與炮膛無接觸,此時彈底連接螺紋只受到因彈體加速旋轉產生的彈底反向慣性力矩,該力矩與彈丸膛內的角加速度大小和彈底極轉動慣量成正比,遠小于連接螺紋所能承受的擰緊力矩。

4 改進方案試驗驗證

將改進后的結構在等齊膛線火炮上進行強裝藥強度試驗,先后進行了30發強度試驗彈射擊,試驗彈外彈道飛行全部正常,回收的試驗彈結構完整,上下定心部陽線印痕輕微,導帶連接可靠,彈體變形可控。從試驗結果可以看出：采用將原彈底上的后導帶移至彈體上的改進方案,較好解決了螺紋連接失效的問題拆解檢查證明前后子彈導旋鍵均位于母彈鍵槽內,無相對旋轉現象,子彈后端面和彈底前端面無磨損痕跡。子彈拆解后各活動部件運動靈活可靠,末敏子彈結構強度滿足要求。

5 結論

為解決末敏彈與車載炮的不適配問題,通過理論分析和有限元動力學仿真計算方法定位了問題原因,并根據分析結果設計了結構改進方案。試驗結果證明將后導帶移至彈體上的改進方案有效可靠,滿足實際工程需求。