第３９卷第５期 ２ ０ １ ８年５月 兵 工 学 报 Ｖ０１．３９ ＮＯ．５ Ｍａｖ ２０１８ ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ 基于气体发生剂的子弹药气囊抛撒数值模拟研究 王琪，蒋建伟，王树有 （北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京１０００８１） 摘要：针对以气体发生剂为动力源的子弹药气囊抛撒数值模拟问题，采用ＬＳ·ＤＹＮＡ有限元软 件，建立了以燃气质量流率一时间历程曲线为输入条件的子弹药气囊抛撒任意拉格朗日一欧拉流体 与固体耦合计算模型，提出了采用内弹道理论和密闭爆发器试验求解气体发生剂名义燃速方程和 燃气质量流率一时间历程曲线的方法。通过对装填不同药量氮气发生剂的典型子弹药气囊抛撒结 构数值模拟，得到该抛撒结构下子弹药出舱速度、过载峰值随气体发生剂药量的变化规律，验证了 弹箍对子弹药抛撒的促进作用。试验验证结果表明，所建立的数值模拟计算方法能较好地预测子 弹药抛撒运动参数。 关键词：子母弹；气囊抛撒；气体发生剂；任意拉格朗日一欧拉法；数值模拟 中图分类号：ＴＪ４１３． ３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—１０９３（２０１８）０５－０８６７—０８ ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００．１０９３．２０１８．０５．００５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ ｗｉｔｈ Ｇａｓ Ｇｅｎｅｒａｎｔ ａｎｄ Ａｉｒｂａｇ ＷＡＮＧ Ｑｉ，ＪＩＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｗｅｉ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕ—ｙｏｕ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ ｗｉｔｈ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｎｔ ａｎｄ ａｉｒｂａｇ，ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｉｒｂａｇ ｄｉｓｐｅｒｓｉｎｇ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＬＳ—ＤＹＮＡ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ—ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ＡＬＥ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｇａｓ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ ｂｏｍｂ ｖｅｓｓｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｎｏｍｉｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ ｆｉｌｅｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｎｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ｄｉｓｐｅｎｓｅｄ ｆｒｏｍ ａｉｒｂａｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｐｅａｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｎｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｎ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ ｂｏｍｂ；ａｉｒｂａｇ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｎｔ；ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ—Ｅｕｌｅｒｉａｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｎ１ａｍｅｒｉｃａ１ ｓｉＩｌｌ１１１ａｔｉｏｎ 言 子弹药气囊抛撒是子母弹一种常用的抛撒方 收稿日期：２０１７４３ｇ－２３ 萎 点，但燃烧温度高、抛撒过载大，易造成气囊材料的 基金项目：国家国防科技工业局技术基础科研项目（Ｂ２６２０１１０００６） 作者简介：王琪（１９９３一），男，硕士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｑｉｂｉｔ＠１２６．ＣＯＩｎ 通信作者：蒋建伟（１９６２一），男，教授，博士生导师。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｔｊｊｗ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ８６８ 兵 工 学 报 第３９卷 烧蚀和子弹药结构的破坏。随着子弹药向智能化发 展，其内部装载的精密光电设备对抛撒过载提出了 更高的要求，因此采用以气体发生剂为动力源的低 过载抛撒技术日益受到研究者的重视，尤其是以叠 氮化钠（ＮａＮ ）为主要成分的气体发生剂，因其燃烧 速度适中、燃烧温度低、产气量大等优点正得到愈加 广泛的应用 。 气囊抛撒下子弹药的运动规律研究主要采用理 论计算和数值模拟方法，其中理论计算方法包括经 典内弹道和两相流理论。经典内弹道理论善于描述 抛撒药燃烧过程和燃气的平均状态，但无法精细描 述气囊膨胀变形与弹箍断裂等非线性过程，需要对 该过程作～定简化。如对抛撒过程中气囊对子弹药 的作用面积变化进行一定假设或直接设为定值；忽 略弹箍的弹塑性变形，假设弹箍达到断裂强度前不 发生形变且子弹药速度为０等 。这些假设能够 简化计算但会带来一定的计算误差。两相流理论则 可以较精细地描述内弹道过程，但对三维状况求解 较为复杂，不便于实际工程应用 。数值模拟方法 则主要集中在任意拉格朗１３一欧拉（ＡＬＥ）法和控制 体积（ＣＶ）法两种，一般与理论计算或试验相结合， 由理论计算或试验提供仿真计算的输入参数。现阶 段提出的子弹药气囊抛撒数值模拟方法都具有一定 的局限性。如王帅 运用经典内弹道理论得到子 弹药气囊抛撒各个时期内气囊内部平均压力变化， 并将其作为输入参数用ＣＶ法进行数值模拟。但 ＣＶ法定义每一时刻气囊内部各处压力均等，仅适合 于分析静态气囊问题及流场影响不大的场合，尚不 适合在离位情况下的气囊展开过程的模拟 。 李嗄 通过对比ＣＶ法与ＡＬＥ法，得到了ＡＬＥ法相 对于ＣＶ法更适合于子弹药气囊抛撒情况下的数值 模拟要求，能精确地模拟燃气冲入状态及气囊外形 变化的结论，但所建立的ＡＬＥ法数值仿真模型假设 抛撒药瞬问完全燃烧产生燃气，忽略了抛撒药点火 燃烧过程。孟会林等 采用ＡＬＥ法，采用高速爆炸 燃烧材料模型和线性多项式状态方程对抛撒药进行 定义，但却忽略了燃烧室结构及燃烧室喷孔对药剂 燃烧及燃气喷射的影响。 为了获得一种可靠、基于气体发生剂的子弹药 气囊抛撒数值模拟研究方法，本文在气体发生器内 弹道试验基础上，使用名义燃速方程描述气体发生 器组件的整体燃烧特性，将内弹道计算得到的燃气 质量流率随时间变化曲线作为数值模拟计算的输入 参数来模拟燃气充入过程，提出了一种计算简便、实 用性强的子弹药气囊抛撒ＡＬＥ数值仿真计算方法。 １ 气体发生剂囊抛子弹药数值仿真 １．１物理模型 图１是典型气体发生剂的子弹药气囊对称抛撒 装置结构示意图¨ ，该抛撒装置包括弹箍、气体发 生器、气囊、蒙皮、气室、子弹药等部分。其工作原理 是：气体发生剂点火燃烧产生燃气，燃气经过气体发 生器内部燃烧室升压、金属箔破裂、滤网过滤等过程 后从气体发生器喷孑Ｌ中冲出，进入气室和气囊，造成 气囊与气室内部压力升高，气囊变形膨胀。随后气 囊对子弹药产生压力作用，推动子弹药发生运动并 使弹箍发生弹塑性变形，当弹箍变形达到一定程度 时，弹箍在其中部薄弱处断裂，子弹药解除约束，内 部喷射燃气能量通过气囊迅速释放，最终将子弹药 抛射出去。 气体发生器 图１ 对称抛撒试验装置物理模型示意图 １．２有限元模型建立 采用网格划分Ｔｒｕｅｇｒｉｄ软件对有限元模型进行 参数化网格建模，因抛撒装置呈双向对称抛撒，故建 立二分之一的三维有限元模型，其中气囊、气室和弹 箍为Ｓｈｅ１１１６３壳单元，其余部件为Ｓｏｌｉｄ１６４实体单 元，外界空气和内部喷射燃气采用多物质ＡＬＥ算 法，其余部件为拉格朗日算法。图２为建立的子弹 药气囊抛撒三维有限元模型，子弹药简化为空心圆 柱体，外径８０ ｉｆｌｍ，内径７０ ｍｍ，长度４００ ｍｍ，总质量 ３．７５ ｋｇ．外部空气域尺寸为４６０ ｍｍ×３７０ ｍｉｌｌ× １４０ ｍｍ，气室尺寸为４００ ｍｍ×５０ ｍｍ×３３ ｍｍ，气囊 尺寸为４００ ｍｍ×１６０ ｍｍ×１０ ｍｍ．采用前后处理 Ｌｓ．ＰｒｅＰｏｓｔ软件的ＡＢＦｏｌｄ模块，按照折叠线和折叠 流程，通过平面折叠方式中的ｔｈｉｎ ｆｏｌｄ折叠方法对 ５ “小发生剂Ｊ，１ 弹约气落抛撇数值使拟研究 ８６９ 气 挺进行折替 气、喷射燃气材料特性和初始化使用关键 ＧＡＳ—ＭＩＸＴＵＲＥ。 ＭＡＴ— ＩＮＩＴＩＡ１ 一（ ＡＳ．ＭＩＸＴＵＲＥ实 现 渐『 ｆ～部喷射燃 兀初始网格，随着喷射过程逐 。 气网格Ｉ 域。 喷射 体状忿采川 ＳＥ（：Ｔｌ（ 一ＰＯ１Ｎ ｒｌ、一ｓ（）ｕＲＣ ＥＭｌＸＴＵＲＥ关键 ：没置， 陔天键字卜定义喷射 气体『１ 质鞋流率随ｌＩｌＪ 问变化ｌ｛ｌｌ线及气体喷射点、喷 射方阳等参数 采用１人Ｊ弹道汁算给定的质量流 述）作为有限元 牢随ＩｌＩ １ｆ变化曲线（第２节 模 『Ｊ、Ｊ ５喷射燃 的喷射状念参数输入 滞气体发 Ｉ冬｛２ ｒＩ 约 ｔ咙抛ｊ澈ｉ维 Ｉｊ艮儿ｆ ｝’ｉｇ．２ ３ １）ｍ【】Ｉ ｔ“ａｉ ｒ ｇ ｄｉｓｐ￣ Ｉ ｓｉｎｇ ，卜器轴线 向均匀没 数个１７点 为气体喷射点，气 体喷射 向Ｌｊ子弹约运动方… 同．表ｌ为各部件 材料卡ｌ！Ｊ 及状态 ‘ ， ２列ｆＩ；ｒ气囊织物密度与 材料 …的杨氏模蟹、剪 卞Ｉｌ 和泊松比参数。 １．３材料参数选取 睫材料采川 ＭＡ．ｒ—ＦＡＢＲＩＣ定义，外界 表ｌ 子弹药气囊抛撒数值模拟材料关键字表 ．ｒａｂ．１ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｏｆ ａｉ ｒｂａｇ ｄｉｓＩ￣ｅｒｓｉｎｇ １．４边界条件与接触设置 外部 域边界施ＪＪＩｌ尢反射边 条件，由ｊ＝ ２ 名义燃速方程及质量流率参数获取 ２．１ 内弹道基本假设 弹椰 装 过 ｔＩ， 缚并 紧子弹药，敞任有限 模Ｊ 建模Ｉ１１使０＂０－箍 子弹药紧贴，拜 弹箍ｌｌ＾ｊ侧施 加…定约束条什以模拟真实情况 ，体发牛器通常带有燃烧窄和低 审闪个气 ｕｆ将 视作整体，建立气体发牛器 体燃烧特 Ｐｌｉ 力的关系，称为名义燃速方 爪为 广＝ｎｐ ＋（‘， （１） 睫［１身接 虫用：｝：ＣＯＮＴＡＣＴ—ＡｌｌｉｂＡＧ—ＳＩＮ（；Ｉ Ｅ—和外 式 ！ ，其形 ＳＵＲＦＡＣＥ ｌ火键７定义，气睫 ｊ其他部件问的接 触Ｊ『Ｊ父键 ：等：ＣＯＮＴＡＣＴ—ＡＩ１ＴＯＭＡＴｌｃ—ＳＵＲＦＡＣＥ— Ｔ【Ｊ式ｒ１１．Ｊ。为 义燃速（ＩＩＩ／Ｓ）；， 气体发，卜齐ｌ】燃烧过 ＳＵＲＦＡＣＥ水定义，采川 而接触能保让气霆 ｊ 程叶ｌ的环境压力（ＭＰａ）； ６、ｒ·为 气体发 制种 类干¨约肜、 本发， 器内外燃烧 书 积、 Ｃ４Ｌ 积等 结构Ｊ 寸 天的参数、 此 ｔ休发生齐ＩＪ种类和药 子弹约一血卡Ｉｉ Ｉｔ；接触紧 ， 会发 尢舰则震荡 现象 修改气囊 窀壳 法向方ｍ，使其伞部指 肜、 体发，卜器结卡勾 寸不变的条件下 义燃速方 程不变 ． 的试验 向 睫及气窒１人Ｊ部，以使托格朗日 能够进行流体 休祸合 、 ｊ－流体 儿 ３为采川衔闭爆发 测定 义燃速方 乐崽 、 ８７０ 兵 工 学 报 第３９卷 压力传感器 密闭爆发器本体 图３ 名义燃速测定密闭爆发器试验装置示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｌｏｓｅｄ ｂｏｍｂ ｖｅｓｓｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ ｆｏｒ ｎｏｍｉｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 采用密闭爆发器试验测定名义燃速方程的内弹 道过程 ＇ 可由（２）式描述： ｆ ＝ＸＺ（１＋ＡＺ＋ｔｘＺ ），０≤ｚ≤１； Ｉ ｒ＝ａｐ ｃ； 』ｆ 一１ ｄｔ ６．ｄｔ ｄ６：一 ６ ’ｒ． （２） Ｉｌ ｐ【 一詈（１一 ）一 ］＝如 ． 式中：砂为相对已燃量； Ａ、 为燃气生成系数； ｚ为相对已燃厚度；艿 为药粒厚度；艿为燃烧厚度； 为气体发生剂的密度； 为燃气余容；／为气体发 生剂火药力； 为装药量；Ｖｏ为密闭爆发器容积。 ２．２名义燃速方程的拟合 为对药剂的名义燃速方程参数Ｃｔ、ｂ、Ｃ进行确 定，对装有不同氮气发生剂装药量的气体发生器进 行密闭爆发器试验，试验装置如图４所示。图５为 在密闭爆发器内放置压力传感器所测得的典型氮气 发生剂药量（８０ ｇ，１２０ ｇ）下的Ｐ—ｔ曲线。 图４名义燃速密闭爆发器试验装置图 Ｆｉｇ．４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｃｌｏｓｅｄ ｂｏｍｂ ｖｅｓｓｅｌ ｆｏｒ ｎｏｍｉｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 试验中所使用氮气发生剂药形为圆筒状，其内 外径为２Ｒ 和２Ｒ 厚度为２６。，则其燃气生成函 数为 ＝ ｚ（１＋ＡＺ＋ＩｘＺ。）＝ 图５不同氮气发生剂药量下试验ｐ－ｔ曲线图 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏａｄｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｍａｓｓｅｓ （１＋ ２ ａｏ／３ｏ）ｚ（１一 ２ａ ｏｌｆｏ ｚ），（３） 式中： 。：鲁； ＝ ；ｚ＝鲁． 使用外推法对不同药量下密闭爆发器中最大压 力ｐ 进行热散失修正¨ ，代入（４）式、（５）式得到 该型氮气发生剂的火药力ｆ＝４５１ ７０２ Ｊ／ｋｇ、余容 ＝ ０．００３ ６２ ｍ ／ｋｇ． Ｐｊ １２０ Ｐ ８０ Ｏ／：：—垒 ———，， （４）， Ｐ １２０一Ｐ ８０ 厂： ０．ｒ＝一△二 ｌ２０△８ｏ ｐ １２０一Ｐｍ８ｏ’．， （５）ｔ）） 式中：△ 。、△ 。分别为１２０ ｇ药量、８０ ｇ药量下的装填 密度’△ ＝ …Ａ： ８Ｏ 分别为１２０ ｇ药 量、８０ ｇ药量下的最大压力。 将８０ ｇ药量条件下的Ｐ—ｔ试验数据代入（２）式， 编制ＭＡＴＬＡＢ程序，得到试验条件下名义燃速ｒ随 密闭爆发器内压力Ｐ变化曲线，最小二乘法拟合得 到名义燃速方程为 ｒ＝０．０１７ ４ｐ ７１２． （６） 为了验证所得到的名义燃速方程及名义燃速假 设的正确性，将燃速方程（６）式代入（２）式，使用 ４阶龙格一库塔法解出另一药量下的ｐ－ｔ曲线，图６ 为１２０ ｇ药量下试验和理论计算所得ｐ－ｔ曲线，二者 吻合较好，证明名义燃速假设正确且所求得的名义 燃速方程可以表征本气体发生器的整体燃烧特性。 此时（２）式为闭合方程组，可以解出该型药剂不同 药量及密闭爆发器容积下密闭爆发器内的ｐ－ｔ 变化。 Ｊ。 ｊ 体发生刷的Ｊ 弹约 （ 抛撇数ｆＪｌ【恢拟 究 ８７ ６ 冬｛６ １２０ 约｝ｌ｝卜 验 弹道汁ｌ１：ｐ－ｔ ｌｌｌ１线对比【 Ｆｉｇ．６ Ｃａｈ－ｕｌ ｌ ｄ ｄ『ｌｔＩ １１１￣￣ｓｔｌｒｅ（］Ｉ’ｒＩ、￣，ＳＩＡＩ’ｒ ｌｏａｄｓ Ｉｌｆ Ｉ ２０ ｇ ２．３ 氮气发生剂质量流量的求解 将ｐ－ｔ ＩＩＩｌ线代入（７）式，可转化为燃气质量流 随时 变化ＩｌＩＩ线，【｛』Ｊ扁一￡曲线 、 』 ＝ ，一 ）／（等一 ０３＇＋ ∞）， ７ 【，ｒ７ （ｏ ． ３数值仿真结果与分析 ３．１ 药量对子弹药运动参数的影响分析 根据建● 的耵 兀模型，永『ＩＩ １，Ｓ—ＤＹＮＡ软什×１ｆ 小 氮气发＇ｔ－刹约艟下子弹药 Ｃ蠼抛撒 律进行数 模拟： ７、 ８为装有８０ ｇ 发，ｌ 刺的子弹 约 睫抛撇过 干¨内部燃气喷射状态（以８０ ｇ药 为例）， ９、 ｌ０为不同药量下子弹速度一时问、Ｊ Ｊｌ ｌ速度一时问ＪＪｊ 川ｊ线．．掸箍所采川的削弱方式为削 弱槽削弱， ｌ１ 示ｒ弹箍的断裂状念． 冬｛７ ｒ惮药 囊抛撇 川过 ｉｇ．７ Ｉ ｒ｛ｌ（－ ｏｆ ａｉｒｂａｇ ｄｉｓｐ￣ ｌｓｉｎｇ ’ｉｇ．８ Ｓｐｒａｙ ｒｅｇｉｍｅ ｎｆ＿ｌ１ｌ１ ｇａｓ Ｉ冬Ｉ ９ ／ｆ ｌＩｄ约｛ｌ￡ ｆ惮速瞍一ＩＩ、ｊ Ｉ＇ｕｌ』 ｆ ｆ｛“线 Ｆｉｇ ９ Ｓｕｌ１【１ｌｌｍｉｔｉ【ｌｎ ｖｅＩｆ１ ｉｔｉｅ ＳＩｌ１］ｔｌｒｒ（１ ｆ ｒＰＩ】１（‘【Ｊ１．１ｉｔｉＩ）ｌｌｓ ｏｌ【‘ＩＨ．ｔＩ’ ｌ 『Ｉｌａｓｓｒ ｊ ｌ０ 小 】药｝ｊ＝＿：＝Ｆ 忡肌Ｉ速｝竖一ｌｌ、ｆｌ１ Ｊ ｆＪｊ ¨１线 Ｆｉｇ．１（）ＳｕｈＩ１ｍｎｉｌｉｔ，Ｉ１ ａｃ（＇ｅｌｒｌａｔｉＩｌ『ｌｓ ＬＩＩｌｔｌＰＩ‘ＩｌｌｆｒｒＰ『ｌｔ ｒ０ｎＬｌｉｆｔＩ）【Ｉ＿ｏｔ ｔ’Ｉ１ａｒｇｔ Ｉｌ１ａｓｓｒ 厂 厂 ）Ｉ …ｋ【ｌｌｌ ＩｌＩ１Ｉｌｌ，ｓ…、ｌ ｉｌ，ｌｌ ，ｋ㈨ｈ１．ｑ＇ “ 冬１ ｌ １ 弹箍断裂状念 ’ｉｇ．１ １ ｌｈｔ ａｋａｇｅ ｏｆ ｈｏｏｐ ｓｉ ｃ ８７２ 兵 工 学 报 第３９卷 数值模拟结果表明，子弹药出舱速度 和过载 峰值。随着氮气发生剂药量增加而增加，而抛撒时 间则随药量增大而缩短，达到过载峰值的时刻随药 量增大而变快。４０ ｇ、８０ ｇ、１２０ ｇ、１６０ ｇ药量下弹箍 断裂时刻分别为７．５ ｍｓ、６．５ ｍｓ、５．０ ｍｓ、４．５ ｍｓ，对 比图１０各曲线可以观察到，弹箍断裂时刻与子弹药 加速度发生较为明显变化的时刻相对应，弹箍断裂 后子弹药加速度增长率得到明显提高。随着药量增 加，抛撒过程中内部燃气的最大压力值也随之增加， 分别为１．６ ＭＰａ、２．５ ＭＰａ、３．６ ＭＰａ、４．８ ＭＰａ． 图１２、图１３为不同药量下采用最小二乘法拟 合得到的子弹药出舱速度、过载峰值随药量的变化， 可得子弹药出舱速度和过载峰值与药量（ｇ）之间的 关系为 ＝１４．３８＋０．１３３ｗ， （８） ｎ＝１ ９０１＋４４．６１６ｗ． （９） 图ｌ２ 子弹药出舱速度与药量关系 Ｆｉｇ．１ ２ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｍａｓｓｅｓ 图ｌ３ 子弹药过载峰值与药量关系 Ｆｉｇ．１ ３ Ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｍａｓｓｅｓ ３．２弹箍因素对子弹药运动参数的影响分析 弹箍除了在装配过程中起到约束子弹药的作 用，其存在本身也对子弹药抛撒过程产生影响。为 分析其影响，针对不同药量下有无弹箍的抛撒工况 进行数值模拟，得到子弹药出舱速度、过载峰值随各 工况变化，如图１４、图１５所示。 图１４不同药量下有无弹箍对子弹药出舱速度的影响 Ｆｉｇ．１ ４ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｏｏｐ ｓｔｅｅｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｍａｓｓｅｓ 图１５ 不同药量下有无弹箍对子弹药过载峰值的影响 Ｆｉｇ．１ ５ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｏｏｐ ｓｔｅｅｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｍａｓｓｅｓ 由图１４、图１５数值模拟结果表明，在相同药量 下带弹箍工况的子弹药出舱速度和过载峰值大于无 弹箍工况下的子弹药出舱速度和过载峰值，这是由 于弹箍的存在会限制抛撒初期的子弹药运动，导致 同时刻气囊容积较小，气囊内部压力增大，故当弹箍 断开后，子弹药所受过载将大于无弹箍工况，提高了 有弹箍工况下的子弹药抛撒速度。因此加装弹箍不 仅为约束和固定子弹药，也能起到提高子弹药出舱 速度的作用。 ４试验验证 为了验证子弹药气囊抛撒数值模拟结果的正确 第５驯 蛙于 体发生刺的子弹药气囊抛撒数价模拟研究 ８７３ 性，设计了与仿真模型完全一致的子弹药气囊埘称 抛撒装置。图１６为子弹药气囊对称抛撒装置图 （装填８０ ｇ氮气发生剂，加装弹箍），在子弹药外壁 安装压电式加速度传感器以记录子弹药过载，采用 ５ 结论 Ｉ）在气体发生器内弹道理沦与试验研究基础 ｋ，结合内弹道编程，拟合得到某型氮气发生器的 名义燃速方程。通过对比不同药量下密闭爆发器 内ｐ－ｔ曲线的试验与理论计算结果，表明使用名义 高速摄影机拍摄子弹出舱速度。图ｌ７为抛撒试验 布置图，图１８为８０ ｇ药量下子弹药气囊抛撒过载 数值模拟与试验结果对比。 燃速方程描述气体发生器燃气的释放规律是可 行的 ２）根据气体发生剂反应的内弹道模型，得到 燃气的质量流率随时间曲线的求解方法。采用 ＬＳ—ＤＹＮＡ有限元软件，建立以燃气质量流率一时间 历程曲线为输入条件的子弹药气囊抛撒ＡＬＥ流体 与固体耦合计算模型，通过数值模拟得到本抛撒 图１６ 子弹药气囊对称抛撒装置 Ｆｉｇ．１ ６ Ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ｄｉｓｐｅｒｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ 结构下子弹药出舱速度及过载峰值随药量变化规 律，得到各抛撒药量下弹箍断裂时刻及内部燃气 最大压力的变化，同时验证了弹箍对子弹药抛撒 的促进作用。 ３）对数值模拟计算结果进行子弹药气囊抛撒 试验验证，８０ ｇ药量带弹箍工况下子弹药出舱速度 计算误差为７％，过载峰值计算误差为４％，证明所 罔１７抛撒试验现场布置图 Ｆｉｇ．Ｉ ７ Ｅｘｐｅｌ ｉｍｅｎｌａｌ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏ 得数值模拟结论可信，本数值计算方法可用于抛撒 技术研究和工程应用。 一～ 一 一～一一 ～一一一 一～一图ｌ８ 子弹药ＪＪＪ］速度实测结果与数值模拟结果对比图 Ｆｉｇ．１ ８ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ａｃｅｅｌｅｒａｔｉｏｎｓ 在抛撒试验中，实测和数值模拟计算子弹药过 载峰值分别为５９２ ｇ和５６９ ｇ，二者误差４％；实测和 数值模拟计算子弹药出舱速度分别２４．６ ｍ／ｓ和 ２６．３ ｍ／ｓ，二者误差７％．数值模拟与实验结果基本 吻合，证明子弹药气囊抛撒数值仿真方法正确，且具 有工程指导意义。 ８７４ 兵 工 学 报 第３９卷 ｄｕｒｉｎｇ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ［ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２０１０，４２（４）：４７２—４７６．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） ［５］ 李嗄．气囊式子母弹抛撒过程数值模拟［Ｄ］．南京：南京理工 大学．２０１２． ＬＩ Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇａｓｂａｇ．ｓｔｙｌｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｂｏｍｂｓ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［６］ 王浩．子母弹内燃式气囊抛撒模型及计算机仿真［Ｊ］．兵工学 报，２００１，２２（２）：１７８—１８１． ＷＡＮＧ Ｈａｏ．Ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓ— ｔｉｏｎ ｇａｓｂａｇ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ａｒｍａｍｅｎｔａ— ｒｉｉ，２００１，２２（２）：１７８—１８１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［７］ 孟会林，孙新利，姬国勋，等．子母弹抛撒过程数值模拟及其试 验［Ｊ］．弹箭与制导学报，２００４，２４（８）：３１７—３２１． ＭＥＮＧ Ｈｕｉ—ｌｉｎ，ＳＵＮ Ｘｉｎ—ｌｉ，ＪＩ Ｇｕｏ—ｘｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｓｔ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｌｌｅｔｓ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｐｒｉｍａｒｙ—ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ［ ［ ［ ｂｏｍｂ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄ． ∞ ¨ ａｎｅｅ，２００４，２４（８）：３１７—３２１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 张翔．子弹药低过载气囊驱动技术研究［Ｄ］．北京：北京理工 大学，２０１６． ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｌｏｗ ｏｖｅｒｌｏａｄ ａｉｒｂａｇ ｄｒｉｖ— ｉｎｇ ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］ 代小芳．基于流固耦合方法的气囊展开数值模拟研究［Ｄ］．大 连：大连理工大学，２００８． ＤＡＩ Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒｂａｇ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｌｕｉｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉ－ ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ３￣，３０，王浩，李嗄．含芳纶织物增强内衬复合材料气囊的静态 变形过程实验研究与数值模拟［Ｊ］．功能材料，２０１３，４４（１４）： ２０９７—２０ｌＯ． ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｉ，ＷＡＮＧ Ｈａｏ，ＬＩ Ａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔａｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓｂａｇ ｗｉｔｈ ｔｅｘｔｉｌｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌｉｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１３，４４（１４）：２０９７—２０１０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｈｙｕｎ Ｊ Ｋ，Ｃｈａｎｇ Ｓ Ｋ，Ｊｕｎ Ｓ Ｈ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｎｏｚｚｌｅ ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］∥２８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆＩＣＴ Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，Ｇｅｒｍａｎｙ：ＩＣＴ，１９９７：１２５—１—１２５—１２． 鲍廷钰，邱文坚．内弹道学［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社， ｌ９９２． ＢＡＯ Ｔｉｎｇ—ｙｕ，ＱＩＵ Ｗｅｎ—ｊｉａｎ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｂａｌｌｉｓｔｉｃｓ［Ｍ］． ［ Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｅｓｓ，１ ９９２．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） 朱跃龙．底火能量释放特性及其对内弹道性能研究的影响 ［Ｄ］．南京：南京理工大学，２０１４． ＺＨＵ Ｙｕｅ－ｌｏｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ： Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４．（ｉｎ Ｃｈｉ－ ｎｅｓｅ）
