An internal ballistic model of electromagnetic railgun based on PFN coupled with multi-physical field and experimental validation

To accelerate the practicality of electromagnetic railguns,it is necessary to use a combination of threedimensional numerical simulation and experiments to study the mechanism of bore damage.In this paper,a three-dimensional numerical model of the augmented railgun with four parallel unconventional rails is introduced to simulate the internal ballistic process and realize the multi-physics field coupling calculation of the rail gun,and a test experiment of a medium-caliber electromagnetic launcher powered by pulse formation network(PFN)is carried out.Various test methods such as spectrometer,fiber grating and high-speed camera are used to test several parameters such as muzzle initial velocity,transient magnetic field strength and stress-strain of rail.Combining the simulation results and experimental data,the damage condition of the contact surface is analyzed.

中大口径加榴炮发射环境极限边界工况炮-弹-引耦合响应特性

针对中大口径加榴炮机械触发引信早炸时有发生,引信及其典型结构在内弹道高动态复杂力学环境下的响应特性不清晰、失效机理不明确等问题,建立了考虑身管中后期磨损、底排弹0号装药、弹丸最大装填角、弹丸与引信极限偏差等极限边界工况的内弹道环境炮弹引耦合动力学仿真模型。采用融合SPH和Lagrange的有限元计算方法,分析弹引典型机构响应特性,并通过底凹弹和底排弹典型工况测试数据对仿真模型的预测误差进行验证。结果表明,极限边界工况会对弹丸挤进阻力、前定心部与身管撞击力的时域分布特征以及运动姿态等造成显著影响,会对引信及其典型机构过载响应造成较大影响。相比底凹弹和底排弹常规工况,膛内弹丸与身管撞击力分别增大63.75倍和29.82倍,出炮口瞬间弹丸俯仰角分别增大8.69倍和6.71倍,偏航角分别增大3.89倍和1.75倍,膛内引信回转体轴轴向峰值过载分别增大19.49%和5.44%,径向峰值过载分别增大78.7%和1.44倍。极限边界工况下,膛内阶段引信发生强度失效的风险明显增大,出炮口后弹引初始章动角量值明显增加,飞行阶段异常作用的风险也会增大。相关研究对于探寻复杂动态力学环境中大口径机械触发引信失效机理,指导引信加固优化设计具有重要意义。

大口径机枪枪管内膛损伤的试验研究

针对大口径机枪枪管寿命显著低于国外同类型枪械的问题,开展了枪管综合寿命试验。以某12.7 mm大口径机枪枪管为研究对象,对各支枪管在寿终前各寿命阶段的初速、精度、内膛直径和内膛表面形貌等进行了测量或内窥。通过对枪管综合寿命试验的结果进行深入分析,获得了大口径机枪枪管内膛损伤的主要形式,验证了各支枪管在相同制造工艺下寿命极限和内膛损伤形式的一致性。可以得出以下结论:枪管内膛损伤形式分为均匀磨损和局部损伤2类;按损伤规律的不同沿枪管轴向可以分为4个区域,各区域轴向长短不一,内膛损伤在这4个区域之间表现出较大的差异性。研究结果可以为建立准确的损伤枪管弹/枪相互作用模型提供依据。

弹丸质量偏心对射击初始扰动的影响分析

针对枪弹射击精度超差问题,采用ABAQUS软件建立枪弹耦合模型,完成了在枪弹射击过程由于弹丸质量偏心造成的枪弹运动特性影响分析。仿真结果表明:弹丸质量偏心引起的枪口横向和纵向位移变化明显,且随着质量偏心的增加而造成枪口的纵向和横向位移幅度变大;同时质量偏心对弹丸的膛内摆角运动变化比引起的枪口振动位移变化更加明显和直接,严重影响枪弹射击精度,对弹丸出枪口的运动姿态和枪弹设计精度控制具有参考意义。

基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究

为预测身管寿命,采用热-固耦合场理论、冲击疲劳理论和疲劳累积损伤理论,提出基于身管铬层与基体结合部疲劳损伤的身管寿命预测方法。以3管转管机枪的身管寿命为例,建立有限元模型,计算铬层与基体结合面的耦合应力,预测身管寿命,理论计算与试验结果进行了对比,数据基本吻合;分析身管镀铬层厚度对身管寿命的影响。研究结果表明:铬层与基体结合部的疲劳损伤寿命基本决定了身管的寿命,证明所提寿命预测方法是可行的;适当增加镀铬层厚度,可以提高身管寿命。

小口径火炮弹炮耦合动态响应有限元时程分析

基于移动荷载思想应用有限单元法和悬臂梁理论研究了小口径火炮弹丸膛内运动过程中的身管振动情况。应用圆柱坐标系将身管结构离散为标准的扇形单元,依据弹带凹槽部和凸起部沿膛线运动过程对各单元进行编号,将弹带视为弹塑性体,凹槽部应用线性简化模型,凸起部应用Dubowsky模型,身管简化为柔性变截面悬臂梁,考虑弹带挤进过程和刚体前定心部对内膛的瞬态碰撞规律,将弹丸膛内运动过程分为三个阶段,根据工程梁理论建立了移动弹丸作用下身管径向振动的时变动力学方程。将计算结果与炮口振动实验数据相比较,可知在忽略火炮后坐、摇架、炮塔等结构影响下,弹炮耦合模型比较准确。

典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究

大口径机枪枪管寿命与使用方式、使用条件密切相关,研究使用条件对大口径机枪枪管寿命的影响问题对于安全、有效地使用该类武器具有重要意义。选择环境温度、冷却周期射弹总量和换弹箱停留间隔时间3个使用条件,采用枪管热-弹耦合有限元模型计算枪管铬钢结合部位瞬态应力,使用局部应力-应变法计算枪管铬钢结合部位寿命,分析使用条件对枪管使用寿命的影响情况。进一步采用实物寿命试验验证使用条件对枪管使用寿命的影响,获得了定量影响规律,建立了环境温度、冷却周期射弹量、换弹箱停留间隔时间与寿命关系近似模型,为科学地使用该类大口径机枪提供了参考依据。

炮身俯仰过程中的类摇摆现象分析

在火炮俯仰过程中发现了炮身的类摇摆现象,通过对炮身轴线-炮耳轴系统耦合建模,揭示了炮耳轴倾斜度、炮耳轴与炮身轴线不垂直度共同作用对方向偏差的影响规律,并推导出了类摇摆现象发生的条件。指出了单独考虑炮耳轴的倾斜或炮身轴线与炮耳轴的不垂直度都是耦合模型的特例。类摇摆现象的发现有助于合理解释火炮试验中出现的异常现象,耦合模型可为进一步提高身管指向精度提供一定的理论依据。

三脚架支承转管机枪射击密集度仿真

为了研究大口径转管机枪在轻型三脚架上射击时枪架和枪管的变形和振动对射击密集度的影响,该文基于ADAMS软件建立了该武器系统的刚柔体耦合虚拟样机模型,对整枪系统射击的动力学和运动学特性进行了仿真计算。在不考虑土壤变形的条件下,对两种拓扑结构的三脚架机枪系统的射击密集度和柔性体部件的变形量进行了对比。动力学仿真和外弹道计算表明:三脚架采用支撑弧板结构后,枪管和枪架的变形量明显减小,转管机枪70%射击散布圆半径减小35.7%,说明射击过程中枪架的下架变形和上架转动对枪管变形和膛口跳动有放大作用,采用支撑弧板可以有效减少枪架的变形,提高射击密集度。

某车载转管机枪刚柔耦合发射动力学分析

为了研究某车载转管机枪的射击精度,了解武器系统工作的稳定性,基于多体动力学理论,结合车载转管机枪的结构特点,运用ADAMS软件建立了刚柔耦合的车载转管机枪发射动力学模型,利用该模型对车载转管机枪进行了动力学分析,得出其动力学特性,提出了提高机枪射击精度的改进方案,即改变托架结构及与座圈的连接方式,降低机枪射击时的火线高度.分析结果显示,改进方案系统的射击稳定性与动力学特性比原方案有所提高,为武器的研制提供了改进方向.

不同路面条件下车载转管机枪动力学特性研究

以某型车载转管机枪为对象,为了研究不同路面环境对其射击精度的影响程度,采用虚拟样机技术建立了该型机枪刚柔耦合多体动力学仿真模型。综合考虑了轮胎与地面、车辆与机枪之间的相互作用关系,仿真模拟了车辆处于自由状态时,机枪在不同路面条件下的射击过程并对其进行了外弹道计算,获得了机枪射击时车辆的振动特性、枪口的响应特性以及立靶散布情况。通过对各种路面条件下的仿真曲线对比分析,得出了路面环境对机枪射击精度的影响关系。研究结果为同类武器的研究与试验提供了理论支持和方向。

不同射频对车载转管机枪射击精度的影响

为研究不同射频对车载转管机枪射击精度的影响,以某型车载转管机枪为对象,建立了该武器系统的刚柔耦合虚拟样机模型。通过仿真计算车体在制动状态时,机枪以不同射频进行射击的过程,得到了不同射频下车体、机枪架座和枪管的振动特性以及射弹散布。通过对不同射频下仿真曲线对比分析,可以得出射频对机枪射击精度的影响程度。仿真研究结果为该武器的研究与设计优化提供了理论支持。

刚柔耦合模型在机枪发射动力学仿真中的应用

应用柔性多体动力学理论和ADAMS软件,以机枪为研究对象,把枪身以及自动机作为刚体,把对膛口响应影响较大的枪架和身管作为柔性体,进行连发射击的仿真计算。通过仿真,证明考虑柔体效应的刚柔耦合多体动力学模型,比刚体模型更贴近实际机枪发射的情况,而且克服了用有限元法求解膛口动态响应时无法考虑自动机在机匣中的相对移动对动态响应的影响,进一步提高了仿真精确度。

基于虚拟样机的某车载转管机枪在不同激励下振动特性研究

为研究某型车载转管机枪在外部激励作用下的振动特性,利用虚拟样机技术对该武器系统进行强迫振动分析。分析该型机枪系统拓扑结构及所受载荷,利用ADAMS软件建立车载转管机枪的刚柔耦合模型及武器振动方程,用所建立虚拟样机模型对车载状态下转管机枪的振动特性进行仿真测试,主要研究路面激励与车辆行驶速度激励,获得机枪系统在不同激励下的振动。计算结果为车载机枪试验与进一步参数匹配优化及提高机枪射击精度奠定基础。

高炮刚柔耦合动力学仿真及二次开发研究

介绍了高射炮弹炮刚柔耦合发射动力学仿真及基于ADAMS的二次开发技术。在全炮系统的动力学模型中,对身管进行了柔性化处理,并考虑了弹丸与柔性身管的相互作用,计算了火炮连续发射时的动力学响应,为全面分析影响射击精度的原因提供了一定的参考价值。同时,基于ADAMS定制了适用于交互式发射动力学仿真的菜单和对话框,为火炮产品的虚拟设计提供了技术基础和工具。

穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲的FEM-SPH耦合计算模型

为了提高小口径穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲(透明装甲)的仿真分析精度,本文将传统的FEM(finite element method)-SPH(smooth particle hydrodynamics)耦合计算模型中穿甲燃烧弹弹芯的有限元模型和JC(Johnson-Cook)材料模型分别替换为SPH模型和JH2(Johnson-Holmquist-ceramics)材料模型,提出了新型FEM-SPH耦合计算模型。研究表明,新型FEM-SPH耦合计算模型可以有效模拟弹芯碎裂现象,减少SPH粒子和有限元耦合计算量,进而显著提高仿真模型的计算精度和计算效率,并给出了新型FEM-SPH耦合计算模型的有限元/粒子尺度和建模尺寸的优选结果。

枪弹间隙对水下枪内弹道的影响

为了研究枪炮全水下发射过程中枪弹耦合间隙对内弹道特性的影响,运用AUTODYN有限元仿真软件,针对滑膛水下枪枪弹耦合设置0.1 mm间隙与不设置间隙两种情况的内弹道过程进行了数值模拟;采用21、25和30 g装药量对水下枪全水下带间隙发射内弹道过程进行了仿真分析,获得了膛压、射弹速度以及过间隙燃气射流在内弹道过程中组分、压力与速度的分布规律;并设计了实弹射击实验用于验证仿真结果。仿真和实验结果表明,合适的枪炮耦合间隙能够有效地提高水下枪发射性能。当枪弹耦合设置0.1 mm间隙时,采用3种装药量发射均能产生弹前气幕,内弹道过程膛压下降明显,弹丸炮口速度提升较为显著,有利于产生稳定的超空泡包裹弹体,使其在水下运动时所受阻力大大降低,从而增加射弹水下行程。

基于有限元刚柔耦合参数化建模的火炮射击稳定性研究

将对射击稳定性影响较大的部件考虑为柔性体,建立了全炮刚柔耦合非线性有限元参数化模型。通过对射击稳定性的总体结构参数灵敏度分析,研究了重要结构参数对射击稳定性的影响规律。同时利用响应面(RSM)近似模型方法进行优化,有效降低了前大架跳高。该研究对火炮总体结构设计与优化具有借鉴意义。

轮式自行火炮悬架结构疲劳寿命预测仿真

某型轮式自行火炮在长期列装使用期间,后悬架系统中的下横臂出现了裂纹。为研究其结构疲劳寿命,考虑到传统工业手段预测寿命困难耗时、代价昂贵,且通过大量实弹射击验证疲劳寿命不现实,故采用仿真手段分析破坏机理和预测各工况下的结构疲劳寿命。由于悬架下横臂有4个载荷作用点,直接提取载荷信息较为困难,故选用MSC.ADAMS/PATRAN/NASTRAN/FATIGUE联合疲劳分析的方法。对模型行驶和射击过程进行仿真计算,然后根据应力疲劳分析法,结合载荷信息、应力信息、材料属性信息进行疲劳寿命分析。最终确定疲劳损伤区域和各工况寿命预测结果。分析比较得出最易造成疲劳损伤的射击角度,以及射击等效寿命等。分析和预测结果为解决装备悬架故障提供实用性参考依据。

某自行高炮动力学分析

结合某自行高炮的工程实践,对自行高炮的射击过程进行了动力学分析与研究。把自动机与全炮动态耦合为一体,尝试建立了新的力学模型;同时考虑身管弹性变形,建立了火炮发射时的多刚体动力学模型。运用 Kane-Huston 方法推导了高炮射击时的运动微分方程组,对高炮模型进行了动力学仿真计算与分析,获得了全炮的动态响应。