基于弹塑性模型的某舰炮抽壳力仿真计算

郝 攀， 张 冰， 梅 帅

（1.海军驻郑州地区军事代表室， 河南郑州 450015； 2.中国船舶第七一三研究所， 河南郑州 450015）

0 引言

抽壳是舰炮射击过程的重要环节，舰炮射击后，留在炮膛内的空药筒被抽壳机构抽出并被排壳机构排出炮外，否则，滞留的药筒将影响下一发射击，进而影响舰炮连发性能。 为使舰炮射击开闩后药筒在射击振动等因素作用下不会提前出膛，保证连发射击时正常抽壳，一般通过弹炮匹配性设计赋予药筒抽壳时一定的抽壳阻力。

抽壳过程是一个包含弹塑性变形、接触、摩擦等复杂因素的瞬态动力学过程[1]，影响抽壳力的因素较多，主要有弹炮间隙、抽筒子与药筒力学性能、药筒与炮膛的摩擦系数、最大膛压等[2]。 曾志银等[3]利用ANSYS 有限元非线性分析功能， 建立了身管与药筒的接触二维非线性有限元模型， 利用直接求出自由度藕合节点约束反力的方法获取抽筒力；汪衡等[4]采用ANSYS/LS-DYNA 显式动力分析软件建立了二维的药筒与身管模型， 对药筒整个发射过程进行数值仿真， 从仿真结果中提取有用的相关数据进行退壳力的计算；康艳祥等[5]采用有限元方法建立了某自动武器抽壳过程仿真模型，模型中忽略了温度的影响，把药筒塑性变形简化为双折线模型， 给出了抽壳力随时间变化曲线；倪璐瑶等[6]通过理论计算、数值分析和试验方法计算抽壳力，分析了最大膛压、初始间隙、药筒壁厚与抽壳力的关系；谭波等[7]建立了抽壳机构的有限元动力学仿真模型，模型中未考虑塑性材料加工硬化行为，得到了抽壳力随时间的变化曲线和药筒速度随时间的变化曲线，分析了抽筒模板位置变化对药筒速度的影响；孙晓雄等[8]建立了药筒及炮膛轴对称二维CCAE 有限元模型，模型中考虑了药筒不同区域不同力学性能， 分析了不同温度及不同药筒材料对抽壳性能的影响；程斌等[9]使用双线性材料模型建立了某小口径火炮抽壳过程有限元模型，计算了抽壳力， 对不同膛压下的抽壳过程进行了研究，分析了发射后药筒再进膛的状况。

以上诸多抽壳过程的研究文献中， 有的利用的二维平面模型，有的利用的是解析模型，有的采用的简易的双折线塑性模型， 研究的侧重点有所不同， 结果也千差万别。本文在前人研究的基础上，建立了抽壳过程弹塑性有限元动力学模型， 采用Johnson-Cook 本构模型描述药筒弹塑性大变形行为，模型中考虑了应变率、温度及材料硬化的影响。详细分析了药筒贴膛及抽壳过程的力学行为，明确了药筒贴膛规律及应力应变分布规律， 定量地给出了抽壳力数值。

1 抽壳动力学仿真模型

1.1 抽壳机构有限元模型网格

根据实际工程尺寸建立抽壳机构三维装配模型，模型主要有身管、药筒、抽筒子及闩体组成，然后对各个构建划分划分网格，如图1 所示，模型中共有636432 个单元。

1.2 边界条件及载荷

对身管进行全约束，约束闩体x、y 移动及xyz 转动自由度，约束抽筒子y 移动自由度，在抽筒子转轴处建立转动自由度。 药筒为自由状态，药筒外表面与身管内表面、药筒地面于闩体表面、 抽筒子抽壳面与药筒底缘内面分别建立硬接触，药筒与身管摩擦系数为0.1，其余摩擦系数为0.15。

在药筒内表面施加火药气体压力， 压力曲线如图2所示。

图2 膛底压力曲线

1.3 材料本构模型

身管、闩体及抽筒子采用线弹性本构模型，弹性模量为206000MPa，泊松比为0.35。 药筒在发射时存在较大弹塑性变形，采用Johson-Cook本构模型模拟药筒在高压作用下的力学行为，即：

式中：σ、εp、ε·0分别为等效应力、塑性应变、参考应变率（准静态试验下的材料应变率，常见值为1×10-3）；A、B、C、k1 和k2 为材料常数；T0为室温、TM材料熔点温度、T 为膛内温度。

药筒本构模型参数参照文献[9]，见表1。

表1 药筒材料本构模型参数

2 计算结果分析

通过弹塑性动力学有限元数值仿真， 获取药筒与炮膛动态应力分布，为分析药筒动态贴膛过程，分别截取药筒贴膛前、与炮膛协同变形及平衡态的应力云图，如图3所示。

图3 药筒贴膛过程

分析图3（a）可知，由于药筒与炮膛之间存在初始间隙，在膛压作用下，药筒开始径向自由膨胀，在没有接触炮膛之前，首先向左运动至与闩体镜面接触。由此可以明确，药筒在运动及变形过程中，首先贴闩，然后开始贴膛。随着膛压继续增大，药筒继续变形，直到与炮膛内壁接触后一起膨胀变形，如图3（b）所示，当膛压达到峰值时，药筒与炮膛变形达到最大，在此过程中，药筒出现一定程度塑性变形。 随着膛压下降，炮膛开始弹性恢复，同时迫使药筒也开始共同收缩，应力状态如图3（c）所示。当膛压完全消失后，炮膛与药筒共同收缩至平衡状态，应力状态如图3（d）所示，由于共同收缩过程中炮膛对药筒存在反向加载，因此，达到平衡状态时药筒与炮箱处于贴紧状态，存在一定过盈量，抽壳过程需要克服抽壳阻力。

为分析平衡状态时药筒与炮膛的受力状态， 沿药筒口部至底部方向依次提取多个炮膛内表面节点应力，提取点位置如图4 所示。 根据提取应力值， 绘制成应力曲线，如图5 所示。

图4 节点应力提取位置示意图

图5 炮膛与药筒接触应力

分析图5 可知， 炮膛与药筒口部圆柱段及斜肩接触部应力较大，向药筒底部方向依次降低。这是因为发射时主要靠药筒口部圆柱段闭气， 根据药筒分区域热处理要求，药筒口部材料屈服强度较低，更容易塑性变形，收缩至平衡状态时炮膛与药筒之间过盈量较大。

图6 为抽壳阻力曲线，由图可知，药筒与炮膛收缩至平衡状态后抽壳阻力不再变化， 保持在13320N 左右，药筒被抽出时与炮膛分离，抽壳阻力将为0。

图6 药筒速度曲线

根据抽壳机构工作原理，抽壳时抽筒子作用于药筒，克服抽壳阻力后使药筒瞬时获得一个较大的初速， 沿排壳通道排出炮外。 图7 为药筒速度曲线，由图可知，最大抽壳速度为18.9m/s，能够满足连发射击对抽壳的要求。

图7 药筒速度曲线

3 结论

本文采用Johnson-Cook 本构模型开展了弹塑性抽壳过程动力学仿真， 分析了药筒动态贴膛规律及其贴膛过程中药筒与炮膛动态应力分布，得出主要结论如下：

（1）药筒在运动及变形过程中，首先贴闩，然后开始贴膛。当膛压完全消失后，炮膛与药筒共同收缩至平衡状态，达到平衡状态时药筒与炮箱处于贴紧状态，存在一定过盈量，即存在抽壳阻力。

（2） 药筒与炮膛收缩至平衡状态后抽壳阻力保持在13320N 左右，不再变化；抽壳后药筒瞬时获得较大的初速，最高可达到18.9m/s，此初速能够满足连发射击工况下的设计需求。