CN115292926A - 一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳及其设计方法 - Google Patents

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赵诗杨
郝文远
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Abstract

本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法，以均匀薄壁筒结构弹壳形状为基础，构建弹壳与脱弹装置的三维数值仿真模型，计算弹壳以高鸟速撞击脱弹装置时的应力与变形结果，找出结构的应力薄弱位置和位移薄弱位置；以弹壳中间段与后段能容纳最小尺寸鸟体为约束，以弹壳中间段内径与后段内径最小以及弹壳屈曲模式最优作为优化目标，对弹壳结构进行拓扑优化，得到初始的弹壳轮廓；以弹壳内部应力不超过材料失效应力、弹壳总质量不超过原始质量作为约束条件，以弹壳前端吸能最大和中间段、后段变形最小作为优化目标，对弹壳结构进行尺寸与形状的拓扑优化，得到优化后的弹壳。

Description

一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳及其设计方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳及其设计方法。
背景技术
航空发动机鸟撞试验是发动机适航取证过程中不可缺少的重要试验，各类适航规范对于鸟撞试验都提出了明确的要求，规定了不同情况下鸟体重量和数目。根据发动机进气道喉道面积的不同，鸟的重量和数目均不相同。
群炮发射是指使用多门空气炮，在一定时间间隔内，将规定重量和数目的鸟体抛向发动机的过程。为了模拟发动机撞鸟过程，需要控制鸟体的抛射速度，通常这一速度与飞行器的起飞速度相当。高速弹壳是承载鸟体的装置，通常置于空气炮炮管中，随鸟体一同在炮管中加速，并在炮口受到空心脱弹装置的阻拦停止，鸟体从脱弹装置中心孔飞出，完成鸟体发射。
目前，现有的高速弹壳多采用均匀薄壁筒结构，以轻质、变形率高的铝制材料经过切削加工而成。发射鸟体前，在薄壁筒内部粘贴泡沫或塑料内衬以减小弹壳内径，使鸟体可以在弹壳撞击空心脱弹装置后，顺利从中心孔飞出。对于群炮发射过程，需要准备多个带有内衬的薄壁弹壳，以满足不同鸟体重量和数目的要求。
现有技术方案的缺点有以下几方面：
首先，技术方面，受群炮发射系统的结构限制，脱弹装置能够承受的冲击荷载有限，因此在高速发射时，弹壳质量不能过大。这就使得均匀薄壁弹壳的厚度必须小于固定值，从而限制了弹壳的抗冲击能力。当发射速度进一步提高时，弹壳极易在与脱弹装置撞击后发生开裂，甚至产生碎片、飞入发动机进气道，对试验安全构成严重威胁。
其次，成本方面，现有的弹壳结构在发射前需要粘贴内衬结构，以减少弹壳内径、保证鸟体顺利飞出。因此在制备鸟弹壳时，不仅要额外购置尺寸相符的内衬，还要在加工时保证弹壳内表面的加工精度，这些都提高了弹壳的制备成本。
最后，效率方面，均匀薄壁弹壳在撞击脱弹器后，前端会产生较大的塑性扩张变形，而中后端会发生严重的挤压变形，这些作用力会在炮管内部形成向外扩张的压力，顶住炮管内壁，使弹壳的拆卸变得极为困难。在进行多鸟体群炮发射时，会显著降低试验效率。
发明内容
本申请提供了鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法，着重解决弹壳高速易开裂、试验成本高、拆弹效率低等方面问题，本申请包括：
步骤S1：以均匀薄壁筒结构弹壳形状为基础，构建弹壳与脱弹装置的三维数值仿真模型，计算弹壳以高鸟速撞击脱弹装置时的应力与变形结果，找出结构的应力薄弱位置和位移薄弱位置；
步骤S2：以弹壳中间段与后段能容纳最小尺寸鸟体为约束，以弹壳中间段内径与后段内径最小以及弹壳屈曲模式最优作为优化目标，对弹壳结构进行拓扑优化，得到初始的弹壳轮廓；
步骤S3：以弹壳内部应力不超过材料失效应力、弹壳总质量不超过原始质量作为约束条件，以弹壳前端吸能最大和中间段、后段变形最小作为优化目标，对弹壳结构进行尺寸与形状的拓扑优化，得到优化后的弹壳。
优选的是，步骤S3之后还有步骤S4：将优化后的弹壳结构进行加工试制，试制样品在群炮发射装置上进行实弹测试，根据测试结果改进结构细节，直至满足弹壳高速发射不开裂、鸟体能够顺利通过脱弹装置中心孔和发射后能够顺利拆卸炮管内弹壳的要求。
一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳，通过上述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法设计而成，其特征在于，包括扩张段与直筒段，扩张段位于弹壳的前端，扩张段的后端连接直筒段，扩张段由后端至前端逐渐扩张。
优选的是，所述扩张段与所述直筒段的连接处具有由弹壳外壁沿径向凸起形成的环形支撑结构。
优选的是，所述支撑结构的半径小于或等于扩张段的最大直径。
本申请的优点包括：
1.本发明通过优化迭代、试制加工、实弹测试等过程所制备的高速弹壳，能够在165m/s的高速撞击下保持结构完整性，弹壳无裂纹和碎块产生，极大地保证了航空发动机鸟撞试验的安全，提高了试验的可靠性；
2.本发明制备的高速弹壳，无需内衬结构，既节省了试验成本，也杜绝了内衬意外脱落、飞入发动机的风险；
3.本发明制备的高速弹壳，在撞击脱弹器后，前端和中后部变形量很小，拆卸时更为容易，大幅减少了多鸟体群炮发射的试验调试时间。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法流程图；
图2是本申请一优选实施方式鸟撞试验群炮发射高速弹壳示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
如图1所示，本申请提供了一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法，包括：
步骤S1：以均匀薄壁筒结构弹壳形状为基础，构建弹壳与脱弹装置的三维数值仿真模型，计算弹壳以高鸟速撞击脱弹装置时的应力与变形结果，找出结构的应力薄弱位置和位移薄弱位置；
步骤S2：以弹壳中间段与后段能容纳最小尺寸鸟体为约束，以弹壳中间段内径与后段内径最小以及弹壳屈曲模式最优作为优化目标，对弹壳结构进行拓扑优化，得到初始的弹壳轮廓；
步骤S3：以弹壳内部应力不超过材料失效应力、弹壳总质量不超过原始质量作为约束条件，以弹壳前端吸能最大和中间段、后段变形最小作为优化目标，对弹壳结构进行尺寸与形状的拓扑优化，得到优化后的弹壳，其中当弹壳前端吸能最大时，在弹壳撞击脱弹器后，前端的抗冲击能力最大，不易变形，一方面能够方便拆下弹壳，大幅减少了多鸟体群炮发射的试验调试时间，另一方面能够保护中段与后段。
步骤S4：将优化后的弹壳结构进行加工试制，试制样品在群炮发射装置上进行实弹测试，根据测试结果改进结构细节，直至满足弹壳高速发射不开裂、鸟体能够顺利通过脱弹装置中心孔和发射后能够顺利拆卸炮管内弹壳的要求，此外合理优化弹壳的拓扑结构和质量分布，使得弹壳在高速撞击脱弹装置后，前端能够吸收绝大部分冲击能量而不产生开裂。
一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳，通过所述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法设计而成，包括扩张段与直筒段，扩张段位于弹壳的前端，扩张段的后端连接直筒段，扩张段由后端至前端逐渐扩张，变径结构的弹壳，让大小不同的鸟体都能够贴合的置于弹壳内，省去了粘贴内衬的环节，节省了试验成本和试验准备时间，同时，放宽了对弹壳内表面的加工精度要求，减少了加工试制环节的成本和流程周期。
优选的是，所述扩张段与所述直筒段的连接处具有由弹壳外壁沿径向凸起形成的环形支撑结构，既保证弹壳能够在炮管内平稳运行，也改善了弹壳直筒段的屈曲模式，使其难以产生挤压炮管的扩张压力，拆弹过程更为流畅，提高了群炮发射时的试验效率。
优选的是，所述支撑结构的半径小于或等于扩张段的最大直径。
本申请的优点包括：
1.本发明通过优化迭代、试制加工、实弹测试等过程所制备的高速弹壳，能够在165m/s的高速撞击下保持结构完整性，弹壳无裂纹和碎块产生，极大地保证了航空发动机鸟撞试验的安全，提高了试验的可靠性；
2.本发明制备的高速弹壳，无需内衬结构，既节省了试验成本，也杜绝了内衬意外脱落、飞入发动机的风险；
3.本发明制备的高速弹壳，在撞击脱弹器后，前端和中后部变形量很小，拆卸时更为容易，大幅减少了多鸟体群炮发射的试验调试时间。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：以均匀薄壁筒结构弹壳形状为基础，构建弹壳与脱弹装置的三维数值仿真模型，计算弹壳以高鸟速撞击脱弹装置时的应力与变形结果，找出结构的应力薄弱位置和位移薄弱位置；
步骤S2：以弹壳中间段与后段能容纳最小尺寸鸟体为约束，以弹壳中间段内径与后段内径最小以及弹壳屈曲模式最优作为优化目标，对弹壳结构进行拓扑优化，得到初始的弹壳轮廓；
步骤S3：以弹壳内部应力不超过材料失效应力、弹壳总质量不超过原始质量作为约束条件，以弹壳前端吸能最大和中间段、后段变形最小作为优化目标，对弹壳结构进行尺寸与形状的拓扑优化，得到优化后的弹壳。
2.如权利要求1所述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法，其特征在于，步骤S3之后还有步骤S4：将优化后的弹壳结构进行加工试制，试制样品在群炮发射装置上进行实弹测试，根据测试结果改进结构细节，直至满足弹壳高速发射不开裂、鸟体能够顺利通过脱弹装置中心孔和发射后能够顺利拆卸炮管内弹壳的要求。
3.一种鸟撞试验群炮发射高速弹壳，通过权利要求1-2任意一项所述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳设计方法设计而成，其特征在于，包括扩张段与直筒段，扩张段位于弹壳的前端，扩张段的后端连接直筒段，扩张段由后端至前端逐渐扩张。
4.如权利要求3所述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳，其特征在于，所述扩张段与所述直筒段的连接处具有由弹壳外壁沿径向凸起形成的环形支撑结构。
5.如权利要求4所述的鸟撞试验群炮发射高速弹壳，其特征在于，所述支撑结构的半径小于或等于扩张段的最大直径。
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