CN104182565A - 一种二级轻气炮试验模型的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二级轻气炮试验模型的设计方法，所述方法包括：根据二级轻气炮试验模型需发射的发射质量以及发射速度，计算在发射过程中的最大载荷量，并计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量；选择并确定二级轻气炮试验模型各构件的结构和材料，得到初始化试验模型并建立有限元分析模型，获取初始化试验模型在发射载荷过程中各部件的应力分布和应变分布；分析各部件在发射过程中是否会断裂，若是，则对该构件的结构或材料中的至少一项进行调整，并返回重新建立修改后的试验模型的有限元分析模型；若不是，则确定初始化试验模型为目标二级轻气炮试验模型；本发明可以在较短时间内得到较为理想的二级轻气炮试验模型。

Description

一种二级轻气炮试验模型的设计方法

技术领域

本发明涉及轻气炮领域，特别涉及一种二级轻气炮试验模型的设计方法。

背景技术

二级轻气炮试验模型通常采用试验验证的方法进行设计，在提出一种基本设计方案后，通过试验来验证设计方案的可靠性，而后根据验证试验结果进行改进，如此循环多次得到较为合适的试验模型最终设计方案。

为保证发射过程中试验模型结构强度的可靠性，往往会采取较大的安全阈度，这直接导致试验模型有效发射质量较低，同时需要较长的验证周期和高额的验证经费；当试验模型的外形或内部结构较为复杂时，通常的设计方法无法快速有效的得到理想的设计方案。

基于此，现有技术确实有待于改进。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种二级轻气炮试验模型的设计方法，以在较短时间内得到较为理想的二级轻气炮试验模型。

为解决上述问题，本发明提供了一种二级轻气炮试验模型的设计方法，所述方法包括：

S1、根据二级轻气炮试验模型需发射的发射质量以及发射速度，计算二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大载荷量，并计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量；

S2、根据各构件在最大载荷量时对应的应力应变量，选择并确定二级轻气炮试验模型各构件的结构和材料，得到初始化试验模型；

S3、建立所述初始化试验模型的有限元分析模型，获取所述初始化试验模型在发射载荷过程中各部件的应力分布和应变分布；

S4、根据各部件的应力分布和应变分布，分析各部件在发射过程中是否会断裂，如果会断裂，则对该构件的结构或材料中的至少一项进行调整，并返回执行步骤S3；如果不会断裂，则确定所述初始化试验模型为目标二级轻气炮试验模型。

优选的，所述步骤S1中计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量包括：

根据二级轻气炮试验模型中各构件与其他构件的结合部位，分别选取各构件在轴向力作用下的研究对象和各构件在剪切力作用下的研究对象；

计算所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变以及各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力。

优选的，所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变计算公式如下：

$\mathrm{\Δl}=\frac{F}{E{S}_1}{l}_1+\frac{\mathrm{\ρa}(l-l_1)}{E}{l}_1+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ρ}{{\mathrm{al}}_1}^2}{E}$

其中，Δl为研究对象在轴向力作用下的应变，F为研究对象所承受的轴向力，E为研究对象的材料弹性模量，S₁为研究对象承受轴向力的横截面积，l₁为研究对象至该构件底部的轴向距离，l为该构件的轴向长度，ρ为研究对象的材料密度，a为二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大加速度；

所述各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力计算公式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_1}{S_{\mathrm{\τ}}}$

其中，τ为研究对象所承受的剪应力，F₁为研究对象所承受的轴向力，S_τ为研究对象承受剪切力的面积。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种全新的二级轻气炮试验模型的设计方法，先以弹塑性力学基本知识为基础，利用理论分析的手段获得试验模型各部件关键部位的静态受力情况，根据静态受力情况提出试验模型的初始设计方案，进一步结合有限元方法，建立起试验模型的数值仿真分析模型，通过数值计算获得试验模型各部件的动态受力和变形情况，根据各部件的变形情况提出初始设计方案的优化改进方法，以快速获得试验模型的最终设计方案，提高发射质量。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种二级轻气炮试验模型的设计方法的流程图。

图2为本发明一实施例的一种二级轻气炮试验模型的弹托在轴向力作用下的研究对象的示意图。

图3为本发明一实施例的一种二级轻气炮试验模型的弹丸在轴向力作用下的研究对象的示意图。

图4为本发明一实施例的一种二级轻气炮试验模型的弹托在剪切力作用下的研究对象的示意图。

图5为本发明一实施例的一种二级轻气炮初始化试验模型的示意图。

图6为本发明一实施例的一种目标二级轻气炮试验模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供一种二级轻气炮试验模型的设计方法，所述方法包括：

S1、根据二级轻气炮试验模型需发射的发射质量以及发射速度，计算二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大载荷量，并计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量；

在进行二级轻气炮试验模型的设计时，其需发射的发射质量以及发射速度都是已知的，如何利用已知的发射质量以及发射速度来计算二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大载荷量，现有技术中已经公开，此处不做赘述。

具体的，计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量具体包括：

根据二级轻气炮试验模型中各构件与其他构件的结合部位，分别选取各构件在轴向力作用下的研究对象和各构件在剪切力作用下的研究对象；

计算所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变以及各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力。

其中，所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变计算公式如下：

$\mathrm{\Δl}=\frac{F}{E{S}_1}{l}_1+\frac{\mathrm{\ρa}(l-l_1)}{E}{l}_1+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ρ}{{\mathrm{al}}_1}^2}{E}$

Δl为研究对象在轴向力作用下的应变，F为研究对象所承受的轴向力，E为研究对象的材料弹性模量，S₁为研究对象承受轴向力的横截面积，l₁为研究对象至该构件底部的轴向距离，l为该构件的轴向长度，ρ为研究对象的材料密度，a为二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大加速度；

所述各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力计算公式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_1}{S_{\mathrm{\τ}}}$

τ为研究对象所承受的剪应力，F₁为研究对象所承受的轴向力，S_τ为研究对象承受剪切力的面积。

S2、根据各构件在最大载荷量时对应的应力应变量，选择并确定二级轻气炮试验模型各构件的结构和材料，使得各构件均能承受最大载荷时对应的应力应变量，得到初始化试验模型；

S3、建立所述初始化试验模型的有限元分析模型，获取所述初始化试验模型在发射载荷过程中各部件的应力分布和应变分布；

运用有限元分析方法，建立初始化试验模型的有限元分析模型，采用现有技术中的商业有限元分析软件，获取初始化试验模型在发射载荷过程中各部件的应力分布和应变分布，以考核初始化试验模型结构强度的可靠性。

S4、根据各部件的应力分布和应变分布，分析各部件在发射过程中是否会断裂，如果会断裂，则对该构件的结构或材料中的至少一项进行调整，并返回执行步骤S3；如果不会断裂，则确定所述初始化试验模型为目标二级轻气炮试验模型。

下面结合一具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明：

预设在28mm口径二级轻气炮上需发射一个Φ10mm×50mm圆柱弹丸，发射速度要求为2.5km/s，弹丸材料为45钢。

根据弹丸质量、二级轻气炮发射管尺寸以及发射速度要求，初步确定二级轻气炮试验模型总发射质量不超过90g，其中，二级轻气炮试验模型由弹丸和弹托两部分组成，弹丸质量为30g，弹托质量不超过60g，材料为尼龙。

1)采用二级轻气炮内弹道计算程序计算得到二级轻气炮试验模型在发射过程中的载荷数据，并获取其最大载荷量；所述最大载荷量包括最大发射加速度以及最大弹底压力；其中，最大发射加速度约为9.0×10⁴G，最大弹底压力约为134MPa。

2)运用理论分析手段评估二级轻气炮试验模型各构件的受力和变形情况。

a、取出弹托在轴向力作用下的研究对象，见图2。该研究对象为一圆柱体，尺寸为Φ10mm×30mm，其中长度尺寸为初步确定值；由前述最大载荷量可计算出F_s1＝1.05×10⁴N，F_s2＝2.65×10⁴N，轴向力F_s＝F_s1+F_s2＝3.7×10⁴N；

利用计算得到Δl_s＝3.3×10^-3，该应变数值较小，可以初步确定在轴向力作用下弹托不会断裂。

b、以弹丸整体作为研究对象分析弹丸在轴向力作用下的变形情况，见图3。由前述最大载荷数据可计算出轴向力F_b＝2.65×10⁴N；

利用计算得到Δl_b＝1.18×10^-4，该应变数值极小，可以忽略不计。

c、取出弹托在剪切力作用下的研究对象，见图4。计算可得该研究对象所承受的轴向力为F₁＝8.05×10⁴N，承受剪切力作用的面积S_τ＝942.5mm²；

利用公式计算得到剪应力τ_s＝85.4MPa，该数值超过了弹托材料的剪切强度，弹托局部将有断裂现象发生，但是弹托整体结构是否完好需要经过数值仿真分析进行确定；弹丸的剪应力可以忽略。

3)经过上述分析，可以确定二级轻气炮试验模型的初始化试验模型，见图5。

4)建立初始化试验模型的有限元分析模型，有限元分析模型建立时采用全六面体网格，网格最大尺寸不超过1mm，材料模型可采用弹塑性材料模型，材料力学性能数据参考相关材料手册。

利用数值仿真方法计算试验模型发射过程中的应力分布和应变情况。采用LS-DYNA软件计算得到弹丸在发射过程中的最大等效应力约为869MPa，最大塑性应变约为2.6×10-4，弹托在发射过程中的最大等效应力约为249MPa，最大剪应力约为97MPa，发射终点时刻最大塑性应变为1.4。

5)根据数值仿真分析结果可知，弹托与弹丸相接触的部位由于应力集中作用发射局部断裂(网格退化)，但是试验模型整体结构完整，未出现宏观断裂的现象，因此可以确定该初始化试验模型满足试验要求，在初始化试验模型承受应力较小部位可以进行一定优化处理，其中，当试验模型的一部件的应力应变太大而存在断裂的风险时，相应的选择强度更高的材料或者改变相关部件的连接结构，提高模型的整体强度，最终确定的试验模型设计方案见图6。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种全新的二级轻气炮试验模型的设计方法，先以弹塑性力学基本知识为基础，利用理论分析的手段获得试验模型各部件关键部位的静态受力情况，根据静态受力情况提出试验模型的初始设计方案，进一步结合有限元方法，建立起试验模型的数值仿真分析模型，通过数值计算获得试验模型各部件的动态受力和变形情况，根据各部件的变形情况提出初始设计方案的优化改进方法，以快速获得试验模型的最终设计方案，提高发射质量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种二级轻气炮试验模型的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据二级轻气炮试验模型需发射的发射质量以及发射速度，计算二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大载荷量，并计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量；

S2、根据各构件在最大载荷量时对应的应力应变量，选择并确定二级轻气炮试验模型各构件的结构和材料，得到初始化试验模型；

S3、建立所述初始化试验模型的有限元分析模型，获取所述初始化试验模型在发射载荷过程中各部件的应力分布和应变分布；

S4、根据各部件的应力分布和应变分布，分析各部件在发射过程中是否会断裂，如果会断裂，则对该构件的结构或材料中的至少一项进行调整，并返回执行步骤S3；如果不会断裂，则确定所述初始化试验模型为目标二级轻气炮试验模型。

2.如权利要求1所述的二级轻气炮试验模型的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中计算二级轻气炮试验模型各构件在最大载荷量时对应的应力应变量包括：

根据二级轻气炮试验模型中各构件与其他构件的结合部位，分别选取各构件在轴向力作用下的研究对象和各构件在剪切力作用下的研究对象；

计算所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变以及各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力。

3.如权利要求1所述的二级轻气炮试验模型的设计方法，其特征在于，

所述各构件在轴向力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的轴向应变计算公式如下：

$\mathrm{\Δl}=\frac{F}{E{S}_1}{l}_1+\frac{\mathrm{\ρa}(l-l_1)}{E}{l}_1+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ρ}{{\mathrm{al}}_1}^2}{E}$

其中，Δl为研究对象在轴向力作用下的应变，F为研究对象所承受的轴向力，E为研究对象的材料弹性模量，S₁为研究对象承受轴向力的横截面积，l₁为研究对象至该构件底部的轴向距离，l为该构件的轴向长度，ρ为研究对象的材料密度，a为二级轻气炮试验模型在发射过程中的最大加速度；

所述各构件在剪切力作用下的研究对象在最大载荷量时对应的剪应力计算公式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_1}{S_{\mathrm{\τ}}}$

其中，τ为研究对象所承受的剪应力，F₁为研究对象所承受的轴向力，S_τ为研究对象承受剪切力的面积。