论文题目: 伸缩式双弹芯动能穿甲弹伸出结构研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 火炮,自动武器与弹药工程
作者: 方清
导师: 赵国志
关键词: 伸缩式双弹芯,圆壳圆杆体,气流,有限元法,等效应力,侵彻,闭锁,闭气,高压气室装置
文献来源: 南京理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 伸缩式双弹芯穿甲弹是动能穿甲弹的一个新概念。这一新概念研究涉及到发射、伸出方法及伸出机构的运动与强度、飞行稳定性和终点效应等问题。本文研究了其中的与伸缩式双弹芯穿甲弹新概念伸出结构相关的关键问题，在理论上为伸缩式双弹芯动能穿甲弹的工程实现提供有力的支撑。主要研究内容包括： 1．在膛内充气的弹上气室装置可以使伸缩式双弹芯穿甲弹作伸出运动。通过引入染色函数法建立了膛内弹上高压气室气流模型，给出了弹上气室参数，与静态模拟实验结果一致。此外还建立了伸缩式双弹芯圆杆体伸出的动力学模型和双弹芯体的气压闭锁模型。膛内弹上高压气室气流模型的动态实验，证实了这三个模型的正确性和实用性。只要选取适当的气室几何系数，弹上气室压力能够达到最大弹底压力；采用闭气技术，气室能够保持所需的工作压力；采用闭气技术并选取适当的体积展开比和气室几何系数，双弹芯体能够达成闭锁目的；模拟弹圆杆体伸出运动的飞行距离能够限定在距炮口16m以内；采用弹上充气装置、闭气和气压闭锁技术可以有效实现伸缩式双弹芯穿甲弹伸出结构。 2．发射时，只有圆管受到弹托作用的伸缩式双弹芯穿甲弹的飞行体，其发射强度问题被归结为动载圆壳圆杆体的接触面问题。在一定条件下，它属于“动不定”的基本弹性动力学问题。在圆杆杆身是理想弹性体、其余部分是刚性体假设下，建立了该问题的一维简化理论模型。该模型表明，第二接触面呈“双面支撑”的状况对发射强度更为有利。在圆管圆杆体均为理想弹塑性体假设下，建立了第二接触面双面支撑的圆壳圆杆体有限元模型，提出了圆壳圆杆体应力状态判定方法，给出了平均等效应力随第二接触面间隙变化的情况和满足双弹芯体发射强度的第二接触面间隙的变化范围。 3．提出了圆管、圆杆的初始撞击动能与各自弹坑体积之比相等的假设，建立了圆管垂直侵彻深度的简化模型，给出了影响圆管侵彻深度的相关参量。结合圆管和圆杆侵彻数据，给出了圆管外径与圆杆直径之比必须小于某个值(本文所给条件下为1.5)的伸缩式双弹芯侵彻体的结构约束。简化模型与实验数据符合的很好。 4．基于本文的研究成果，设计出25mm口径的伸缩式双弹芯模拟弹。该模拟弹采用了气压展开法、气压和摩擦角闭锁方式、弹上气室装置和“双面支撑”结构，此外还使用了闭气和闭锁技术，最终得到了验证。 5．根据模拟实验弹的正、斜侵彻实验，建立了伸缩式双弹芯侵彻体的侵彻模型。双弹芯体侵彻的弹坑形状表明，双弹芯圆管体在侵彻过程中存在自适应能力；不论是垂直侵彻还是斜侵彻，双弹芯体都有良好的侵彻形态；着靶速度为1.4km／s左右时，双弹芯基准杆侵彻深度增量为1.2～1.4。
论文目录:
1 绪论
1.1 引言
1.1.1 长杆体长度与威力的关系
1.1.2 大长度长杆体所带来的问题
1.1.3 伸缩式双弹芯穿甲弹的概念
1.2 国内外异形侵彻体研究现状及发展趋势
1.3 国外伸缩式双弹芯伸出方式及其结构研究
1.4 本文研究目的、手段和主要内容
2 膛内弹上高压气室充气问题
2.1 伸缩式双弹芯模拟实验弹基本结构
2.2 膛内弹上高压气室气流模型
2.2.1 高压气室准定常气流模型
2.2.2 讨论
2.2.2.1 流量
2.2.2.2 流量系数
2.2.2.3 气室终止压力
2.2.2.4 最大气室压力
2.2.2.5 最大气室压力与气室终止压力之比
2.2.3 实验验证
2.2.4 结论
2.3 一类非线性分段微分方程组的染色函数解法
2.3.1 一类染色函数非线性分段微分方程组
2.3.2 一类染色函数分段非线性一阶微分方程组数值计算的稳定性
2.3.3 小结
2.4 膛内弹上高压气室的动态实验
2.4.1 双弹芯圆杆体伸出的动力学模型
2.4.2 膛内弹上高压气室动态实验一
2.4.2.1 实验方案
2.4.2.2 伸出实验弹展开距离和圆杆体发生伸出运动的确定
2.4.2.3 实验结果、分析与结论
2.4.3 膛内弹上高压气室动态实验二
2.4.3.1 实验方案
2.4.3.2 实验结果、分析与结论
2.5 小结
2.5.1 气室工作压力
2.5.2 膛内弹上高压气室气流模型的数值解
2.5.3 双弹芯的展开距离和展开时间
2.5.4 膛内弹上高压气室气流模型的动态验证
2.5.5 弹上高压气室装置的必要性、可靠性和稳定性
3 动载圆壳圆杆体的接触面问题
3.1 引言
3.2 动载圆壳圆杆体接触面问题的简化理论模型
3.2.1 惯性加速度a(t)的确定
3.2.2 不同时刻,动载一维杆的弹性力学模型
3.2.2.1 基本假设和坐标系的建立
3.2.2.2 t时刻杆身应力和位移
3.2.2.3 f工况下的杆身应力和位移
3.2.2.4 p工况下,不同时刻的杆身应力和位移
3.2.2.5 s工况下的杆身应力和位移
3.2.3 圆壳圆杆体接触面存在间隙时圆杆的应力和位移
3.2.3.1 单面支撑时圆杆的应力和位移
3.2.3.1.1 第一接触面单面支撑问题
3.2.3.1.2 第二接触面的单面支撑问题
3.2.3.2 双面支撑时圆杆的应力和位移
3.2.3.2.1 第一接触面双面支撑问题
3.2.3.2.2 第二接触面的双面支撑问题
3.2.4 接触面存在间隙时圆杆的有关问题讨论
3.2.4.1 第一、二接触面问题中的接触面最大间隙。
3.2.4.2 在单面支撑问题中,杆身的最大应力和位移
3.2.4.3 在双面支撑问题中,杆身的最大应力和位移
3.2.4.4 双面支撑下∑_(c21)面的最大压力和杆身头部横截面最大应力
3.2.5 第二接触面双面支撑下,圆管和圆杆杆身几个面上的最大应力
3.2.5.1 圆管1—1横截面的应力
3.2.5.2 圆管2—2横截面的应力
3.2.5.3 圆管3—3断面应力
3.2.5.4 第一与第二接触面双面支撑问题,圆管3—3断面应力比较
3.2.5.5 圆杆杆身头部端面的最大应力
3.2.5.6 圆管和圆杆杆身几个面上的最大应力与第二接触面间隙的关系
3.2.5.7 第二接触面间隙△l_(tr2)的选取
3.3 动载弹性圆壳圆杆体第二接触面双面支撑的有限元模型
3.3.1 动载弹性圆壳圆杆体有限元模型的基本理论
3.3.1.1 动载弹性圆壳圆杆体有限元模型的基本方程
3.3.1.2 动载弹性圆壳圆杆体有限元模型的求解过程
3.3.1.3 Newmark法
3.3.2 第二接触面双面支撑动载弹性圆壳圆杆体的有限元模型
3.3.2.1 动载弹性圆壳圆杆体有限元模型的基本假设
3.3.2.2 第二接触面双面支撑动载弹性圆壳圆杆体有限元模型和求解控制
3.3.2.3 动载圆壳圆杆体第二接触面双面支撑有限元模型边界条件和载荷
3.3.2.4 第二接触面双面支撑动载圆壳圆杆体有限元模型的等效应力
3.3.3 第二接触面问题圆壳圆杆体的应力和位移
3.3.3.1 数值计算的收敛性
3.3.3.2 第二接触面双面支撑圆壳圆杆体的应力和位移分布
3.3.4 第二接触面双面支撑圆壳体等效应力
3.3.4.1 圆壳圆杆体应力状态判定方法
3.3.4.2 圆壳体TS段的节点等效应力
3.3.4.3 圆壳体3—3面区域节点等效应力
3.3.4.4 圆壳体2—2面区域节点应力
3.3.4.5 弹托段长度增加时圆壳体TS段的节点等效应力
3.3.5 第二接触面双面支撑圆杆杆身及其区域节点等效应力
3.3.5.1 杆身头部端面区域节点等效应力
3.3.5.2 杆身尾端面区域节点等效应力
3.3.5.3 弹托段长度增加时圆杆杆身及其区域节点等效应力
3.3.6 动载圆壳圆杆体双面支撑问题中第二接触面间隙的选取
3.4 小结
3.4.1 接触面问题简化理论模型分析结论
3.4.2 接触面问题有限元模型分析结论
3.4.3 结论
4 其它问题
4.1 引言
4.2 双弹芯体闭锁问题
4.2.1 气压闭锁模型
4.2.2 计算结果与分析结论
4.3 双弹芯体侵彻能力增量问题
4.3.1 长杆体侵彻能力
4.3.2 伸缩式双弹芯侵彻体的相关物理量
4.3.3 伸缩式双弹芯侵彻体侵彻能力的增量
4.3.4 圆管与圆杆对半无限厚均质钢靶板垂直侵彻深度研究
4.3.4.1 简化模型
4.3.4.2 讨论
4.3.4.2.1 圆管与圆杆初始撞击速度相等
4.3.4.2.2 圆管与圆杆长度相等
4.3.4.2.3 圆管内径大于等于圆杆直径
4.3.4.3 实验验证
4.3.5 刚性圆管圆杆体与长杆体侵彻深度的比较
4.3.6 伸缩式双弹芯模拟弹垂直侵彻的模拟实验研究
4.3.6.1 引言
4.3.6.2 垂直侵彻实验结果及分析
4.3.6.2.1 弹芯体垂直侵彻的弹坑形状
4.3.6.2.2 双弹芯基准杆侵彻深度深度增量
4.3.6.2.3 模拟弹垂直侵彻的实验结论
4.3.6.3 伸缩式双弹芯模拟弹斜侵彻的实验结果与结论
4.4 小结
5 结束语
5.1 结论
5.1.1 膛内弹上高压气室的气流研究
5.1.2 动载圆壳圆杆体的接触面问题
5.1.3 其它问题
5.1.3.1 弹芯体闭锁问题
5.1.3.2 弹芯体侵彻能力增量问题
5.1.4 总结
5.2 本文的创新点
5.3 进一步研究的问题
致谢
参考文献
作者在攻读博士学位期间撰写及发表的论文
附录A：连续介质运动学有关问题
A.1 物质坐标和空间坐标
A.2 两种描述方法
A.3 空间导数、物质导数
附录B：动载弹性一维杆模型物质导数公式
发布时间: 2006-12-06
参考文献
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