CN109408908A - 基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 - Google Patents
基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109408908A CN109408908A CN201811154700.0A CN201811154700A CN109408908A CN 109408908 A CN109408908 A CN 109408908A CN 201811154700 A CN201811154700 A CN 201811154700A CN 109408908 A CN109408908 A CN 109408908A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bearing band
- phase flow
- bullet
- inner trajectory
- flow inner
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 claims description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000003721 gunpowder Substances 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 10
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 1
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 1
- 244000131316 Panax pseudoginseng Species 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，建立准一维两相流内弹道数学模型，以及弹带挤进过程有限元模型；利用准一维两相流内弹道数学模型求解弹底压力，将求解弹底压力作为弹带挤进过程有限元模型的弹底压力载荷，确定弹丸质心轴向速度、位移和分析步长，传递给准一维两相流内弹道数学模型进行数值求解，重复迭代，直至挤进结束，即得弹带挤进过程动力学响应。本发明考虑了弹带挤进过程内弹道性能的改变，实现了弹带挤进过程数值模拟与内弹道计算之间的耦合，采用了准一维两相流内弹道数学模型，能够更加精确的描述弹后空间火药燃气压力分布规律，提高了挤进过程弹后火药燃气压力的计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及弹带模拟技术，具体涉及一种基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法。
背景技术
在火炮发射过程中，弹带挤进过程是一个高度非线性的瞬态力学过程，涉及瞬时冲击、材料失效与损伤、几何大变形等方面，对整个火炮发射的膛压和初速等诸多内弹道参数具有很大的影响。由于弹带挤进过程的时间十分短暂，实验条件困难，现阶段研究人员多采用数值模拟的方式对其进行研究。文献一(孙全兆,杨国来,王鹏,等.某大口径榴弹炮弹带挤进过程数值模拟研究[J].兵工学报,2015,36(2):206-213.)对实测所得到的坡膛压力载荷进行换算得到弹底压力载荷，将其加载到模型上作为载荷边界条件模拟了弹带动态挤进过程，但是由于加载的载荷值与实际载荷误差较大，使得在数值计算时弹丸的位移和速度与实际情况存在较大误差。文献二(李淼,钱林方,孙河洋.某大口径火炮弹带热力耦合挤进动力学数值模拟研究[J].兵工学报,2016,37(10):1803-1811.)引入考虑温度的摩擦力模型来模拟身管与弹带间的摩擦，建立弹带挤进过程热力耦合仿真模型，但是其基础还是建立在经典内弹道之中，由于经典内弹道在很多方面进行了简化，导致计算出的数值结果也存在一定的偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，解决了现阶段弹带挤进数值模拟过程中弹底压力载荷与实际值存在偏差的不利问题，能够得到更为精准的弹底压力载荷。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，包括如下内容：
步骤1、建立准一维两相流内弹道数学模型，以及弹带挤进过程有限元模型；
步骤2、利用准一维两相流内弹道数学模型求解弹底压力，将求解弹底压力作为弹带挤进过程有限元模型的弹底压力载荷，确定弹丸质心轴向速度和位移、分析步长和弹后火药燃气网格变量，传递给准一维两相流内弹道数学模型进行数值求解；
步骤3、重复迭代步骤2，直至挤进结束，即得弹带挤进过程动力学响应。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明考虑了弹带挤进过程内弹道性能的改变，实现了弹带挤进过程数值模拟与内弹道计算之间的耦合，采用了准一维两相流内弹道数学模型，能够更加精确的描述弹后空间火药燃气压力分布规律，提高了挤进过程弹后火药燃气压力的计算精度。
附图说明
图1为本发明基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法的流程图。
图2为本发明弹带挤进系统有限元网格模型图。
图3为本发明挤进完成时刻弹带变形图。
图4为本发明挤进过程弹底压力、膛底压力-时间曲线图。
图5为本发明弹带动态挤进阻力-行程曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明方案。
如图1所示，基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，具体步骤如下：
步骤1、建立准一维两相流内弹道数学模型，以及弹带挤进过程有限元模型；
准一维两相流内弹道数学模型包括两相流控制方程以及辅助方程组，作为一种具体实施方式，采用β＝1的准一维两相流内弹道数学模型。
控制方程如下：
式中：A为身管内截面积，ρ为介质密度，u为膛内气流速度，p为气相压力，e为气体比内能，EΔ为火药燃烧热，ψ为火药体积相对燃烧量。
结合图2，弹带挤进模型包括身管、膛线、弹丸和弹带，在Hypermesh软件中采用六面体减缩积分单元对弹带挤进模型离散化建模，得到弹带挤进过程网格模型；因为身管、弹带为弹塑性体，对其赋予相对应的材料本构模型，同时不考虑弹丸在挤进过程中的弹性变形，对弹丸做刚性体处理，得到弹带挤进过程有限元模型。
步骤2、利用准一维两相流内弹道数学模型求解弹底压力，将求解弹底压力作为弹带挤进过程有限元模型的弹底压力载荷，确定弹丸质心轴向速度和位移、分析步长和弹后火药燃气网格变量，传递给准一维两相流内弹道数学模型。
针对准一维两相流内弹道数学模型，运用VonNeumannRichtmyer差分格式对两相流控制方程以及辅助方程组进行数值求解，得到准一维两相流内弹道差分方程组，作为弹道计算求解器。本发明采用Fortran软件建立基于VonNeumann Richtmyer差分格式的准一维两相流内弹道求解器，将初始装填条件当作内弹道计算的初始变量，将弹底燃气网格数量设置为随动边界条件，将膛底燃气网格的位移和速度参数设置为固定值，求解弹底压力值。
将求解弹底压力作为弹带挤进过程有限元模型的弹底压力载荷，确定弹丸质心轴向速度、位移和分析步长，传递给弹道求解器，并重复两个求解过程，直至挤进结束，即得弹带挤进过程动力学响应。为了实现弹道计算求解器与弹带挤进模型的耦合，本发明通过ABAQUS软件的VUAMP子程序开发接口，将准一维两相流内弹道计算求解器与弹带挤进模型耦合，借助ABAQUS软件的显示动力学求解器，对基于准一维两相流内弹道的弹带挤进有限元模型进行显示动力学计算，在计算过程中两个求解器之间互相传递实时变量。
本发明建立的基于两相流内弹道的弹带挤进有限元耦合模型，为一种较高精度的挤进过程数值模拟方法，提高了挤进过程弹后火药燃气压力的计算精度，将促进弹丸挤进力学理论的进一步发展，具有较强的理论意义和工程实用价值。
实施例1
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
本实施例采用8节点六面体减缩积分单元对弹带、弹丸、身管、膛线进行有限元网格划分，其有限元网格图如图2所示，其中，弹带模型为999360个单元，弹丸模型为52835个单元，身管和膛线模型为64848个单元。对准一维两相流内弹道数学模型进行数值求解，建立准一维两相流内弹道求解器，并将内弹道求解器与有限元显示求解器耦合。
本实施例运用ABAQUS显示求解器进行了耦合准一维两相流内弹道的弹带挤进过程数值模拟。其中，当i＝1即耦合计算第1步时，通过添加计算判断语句实现对内弹道初始变量的赋值；将ABAQUS软件计算得到的弹丸质心轴向速度和位移、分析步步长以及svars状态变量传递到准一维两相流内弹道求解器中，作为内弹道计算的第i步计算值，将准一维两相流内弹道求解器计算得到的第i+1步的弹底压力传递到ABAQUS软件中作为弹底压力载荷，并将第i+1步的弹后火药燃气网格变量储存在svars状态变量阵列中。
仿真结果如图3-5所示，结合图3，可以看出耦合准一维两相流内弹道的弹带挤进过程数值模拟所得到的弹带挤进变形图与实际回收所得到的弹带挤进变形情况大体一致。结合图4，可以看出弹带挤进过程中的弹底压力和膛底压力曲线，与常规方法相比更加精确，并且可以得到弹后空间更多火药燃气压力状态分布情况。结合图5，可以看出弹丸动态挤进阻力在数值计算过程中，由准一维两相流求解器直接计算得出，更加贴近真实情况。
Claims (5)
1.一种基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立准一维两相流内弹道数学模型，以及弹带挤进过程有限元模型；
步骤2、利用准一维两相流内弹道数学模型求解弹底压力，将求解弹底压力作为弹带挤进过程有限元模型的弹底压力载荷，确定弹丸质心轴向速度和位移、分析步长和弹后火药燃气网格变量，传递给准一维两相流内弹道数学模型进行数值求解；
步骤3、重复迭代步骤2，直至挤进结束，即得弹带挤进过程动力学响应。
2.根据权利要求1所述的基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，建立弹带挤进过程有限元模型的具体方法为：首先建立弹带挤进模型，包括身管、膛线、弹丸和弹带模型；然后在Hypermesh软件中采用六面体减缩积分单元进行离散化，得到弹带挤进网格模型；最后对身管、弹带赋予相对应的材料本构模型，对弹丸做刚性体处理，得到弹带挤进过程有限元模型。
3.根据权利要求1所述的基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，采用β＝1的准一维两相流内弹道数学模型。
4.根据权利要求1所述的基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，运用Von Neumann Richtmyer差分格式对两相流控制方程以及辅助方程组进行数值求解，采用Fortran软件建立准一维两相流内弹道计算求解器，得到弹底压力值。
5.根据权利要求1所述的基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，通过ABAQUS软件的VUAMP子程序开发接口，将准一维两相流内弹道计算求解器与弹带挤进过程有限元模型耦合，借助ABAQUS软件的显示动力学求解器，对基于准一维两相流内弹道的弹带挤进有限元模型进行显示动力学计算，在计算过程中两个求解器之间互相传递实时变量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811154700.0A CN109408908A (zh) | 2018-09-30 | 2018-09-30 | 基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811154700.0A CN109408908A (zh) | 2018-09-30 | 2018-09-30 | 基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109408908A true CN109408908A (zh) | 2019-03-01 |
Family
ID=65465830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811154700.0A Pending CN109408908A (zh) | 2018-09-30 | 2018-09-30 | 基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109408908A (zh) |
-
2018
- 2018-09-30 CN CN201811154700.0A patent/CN109408908A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CHAOBIN HU等: "A fluid-structure coupling method to obtain parameter distributions in a combustion chamber with moving boundaries", 《APPLIED THERMAL ENGINEERING》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108304684B (zh) | 一种火箭发动机尾喷射流仿真方法及系统 | |
| CN110610065B (zh) | 基于混合动网格技术的飞行器多体分离cfd仿真方法及系统 | |
| CN107679341A (zh) | 一种身管结构有限元参数化建模方法 | |
| CN114218833B (zh) | 一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统 | |
| CN105956281A (zh) | 固体火箭发动机装药设计方法 | |
| Yu et al. | Aerodynamic analysis of projectile in gun system firing process | |
| CN109697309B (zh) | 一种弹丸高速冲击挤进阻力快速获取方法 | |
| CN113553739A (zh) | 一种混合炸药爆炸输出特性计算方法 | |
| Cayzac et al. | Computational fluid dynamics and experimental validations of the direct coupling between interior, intermediate and exterior ballistics using the Euler equations | |
| CN109408908A (zh) | 基于两相流内弹道的弹带挤进有限元数值模拟方法 | |
| CN112784458B (zh) | 一种弹炮耦合有限元参数化建模方法 | |
| CN113919059A (zh) | 炮口冲击波作用下的车身分析方法、终端设备及介质 | |
| Wang et al. | High-dimensional uncertainty quantification of projectile motion in the barrel of a truck-mounted howitzer based on probability density evolution method | |
| CN110276142A (zh) | 高压状态下等离子体密度生成规律数学模型的仿真方法 | |
| Parhizkar et al. | Simulation of store separation using low-cost cfd with dynamic meshing | |
| CN110096798A (zh) | 一种多状态有限元模型修正的方法 | |
| Leonhardt et al. | Analysis of the effect of bore centerline on projectile exit conditions in small arms | |
| Zhengxiang et al. | Convex method for ascent trajectory optimization using iterative narrowing trust region | |
| Başkut et al. | Development of a closely coupled procedure for dynamic aeroelastic analyses | |
| Rusyak et al. | Numerical research of resistance of environment to accelerated motion of bodies with various forms in channel of constant section | |
| Kagankiewicz et al. | Mathematical formulation for the numerical solution of the internal ballistics of classical weapons in Lagrangian coordinates | |
| Forsblom | Supersonic artillery projectile fin deployment simulation methodology | |
| Silton | Quasi-steady simulations for the efficient generation of static aerodynamic coefficients at subsonic velocities | |
| Xavier | Numerical analysis of gun barrel pressure blast using dynamic mesh adaption | |
| Silva et al. | Numerical simulation and experimental study of flowfield around a bullet with a partial core |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190301 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |