弹丸膛内起始运动过程瞬态特性研究
发布时间：2020-08-26 09:12
【摘要】：弹丸膛内起始运动包含弹丸卡膛和挤进两个过程,是高温、高压、密闭环境下的复杂瞬态非线性问题,卡膛和挤进过程作用时间均在毫秒量级,挤进过程结束时弹丸运动速度可达几十米每秒甚至更高,这个复杂过程存在几何非线性、边界非线性以及材料非线性等特征。对弹丸起始运动的研究是开展火炮自动武器膛线磨损、弹带削光、身管寿命、射击精度以及弹丸优化设计方面研究不可缺少的基础工作。针对起始运动过程中的问题,本文针对以下几点展开工作:(1)简要叙述了大变形有限元分析中用到的连续介质力学有关理论,包括基于拉格朗日方法对物体运动以及变形的描述,应力应变及其客观率形式的度量方法,弹塑性本构方程的构建方法以及求解动力学问题的有限元方法;(2)弹带材料在装配到弹丸的过程中受到加工硬化的作用,力学性能得到了明显的强化,本文结合弹带材料在膛内起始运动过程中所受环境,利用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对弹带材料在高温、大应变率下的力学特性进行了研究,利用几种常见的本构方程对弹带材料的高温动态力学特性进行描述,提出一种以温度分段修正的Johnson-Cook本构方程并对其参数进行了拟合;(3)弹带与身管之间的摩擦存在相对滑动速度高、接触面间正压力大的特点,在金属间高速高接触压力摩擦过程中,接触面会出现快速温升,较大的接触压力使得接触表面材料发生塑性变形,材料在接触面上发生粘结摩擦现象,较软或熔点较低的金属材料会发生局部剪切现象,局部剪切带中承受了大部分的切应变以及温升,考虑弹带材料在局部剪切现象中所能承受的最大切应力,得到了固体接触状态下的弹带身管间摩擦模型,结合达到熔点后的熔化液膜内流体动力学特性,得到描述挤进过程中弹带与身管间的摩擦模型;(4)假设挤进过程中的火药气体分布在带有锥度的药室及坡膛内,将弹带的变形能以及摩擦耗散功考虑到能量平衡方程中,得到了包含有弹丸运动参数的内弹道方程,其中次要功可以通过有限元动力学模型进行精确计算。利用四阶亚当斯多步方法对内弹道微分方程进行求解,通过弹丸挤进过程中的火药气体压力分布得到了弹底压力变化规律;(5)对大口径火炮弹丸起始运动过程中的弹带动力学特性进行了研究,使用一种高效的热粘弹塑性本构积分方法对动力学模型中的应力进行求解,将基于实验拟合得到的弹带材料修正Johnson-Cook本构方程引入到了弹丸卡膛动力学模型中,以其计算结果作为初始条件,将挤进过程弹带身管间摩擦模型、挤进过程内弹道方程通过子程序接口引入ABAQUS/Explicit非线性有限元计算过程,对热力耦合的弹丸挤进运动过程进行计算。考虑弹炮间隙,弹丸初始姿态以及卡膛速度等不确定因素得到了弹丸膛内起始运动以及弹带和身管间相互作用规律,得到各个不确定因素对弹丸膛内起始运动过程各个参数的影响强弱。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ301
【图文】：
在某一固定时刻，物体中质点位置的集合称为该时刻物体的构型，通常选取初始时逡逑刻或者物体的稳定运动时刻作为参考构型以方便描述物体的运动与变形。考虑参考构型逡逑中两个相邻质点构成的矢量ｄＸ，经过变形在现时构型中变为ｄｘ，如图２．１所示。逡逑ｄｘ邋＝邋ｘ（Ｘ邋＋邋ｄＸ，ｄ－；ｃ（Ｘ，ｄ，对ｘ（Ｘ邋＋邋ｄＸ，0在Ｘ处做泰勒展开，略去高阶小项，得到下逡逑式：逡逑ｄｘ邋＝邋—－ｄＸ逦（２．２）逡逑ａｘ逡逑１２逡逑
逦（２．４６）逡逑式中，Ｇ为柯西应力，Ｔ，为垂直作用在面元上的力，ｆ为面元上的法向应力，ｎ为在现逡逑时构型中面兀法向量，ｄｄ为面兀面积。由图２．２的描述可知，柯西应力张量在度量应逡逑力的变化过程中会受到刚体转动的影响，所以考虑将面元上的力投射到初始构型中，这逡逑样可以不计物体刚体位移对应力的影响：逡逑＝邋ｌｉｍ逦（２．４７）逡逑从”０邋ＡＡ０邋ｄ邋Ａ０逡逑ｔ＊（，，）邋＝邋Ｐ－ｎ＇，邋ｄＸ＝Ｐ－ｎ＇ｄＡ逦（２．４８）逡逑式中，ｎ＇为对应初始构型中面元法向矢量，ｄ４＞为对应面元在初始构型中的面积。逡逑Ｎａｎｓｏｎ公式给出了变形前后面元面积以及面元单位法向矢量之间的关系：逡逑ｄＡ邋＝邋Ｊ（Ｆ＿ｌ）Ｔ－ｄＡ0逦（２．４９）逡逑其中，？／为变形梯度的行列式值，＊／邋＝邋｜Ｆ｜，则由式（２．４６）－（２．４９）可得：逡逑Ｐ邋＝邋Ｊｏ－（Ｆ＇＇）＇逦（２．５０）逡逑１８逡逑
逦（２．５３）逡逑ｄ，－＞ｏ逦ｄ／逡逑式中，上标%奖硎疚锢砹康目凸勐市问健Ｍ迹玻持兄实悖小冢械愕睦窭嗜兆晗抵绣义献晡洌冢械憬⒂胫实阋黄鹱鏊彩备仗遄亩晗担⑶壹偕柙冢剑浚洌义鲜笨涛锾褰龃嬖诟仗遄蛩嫣遄晗抵凶辏洌剩皇芨仗遄挠跋欤粗实闼俣儒义峡梢孕次洌觯澹剑ィ洌欤蛴校哄义希洌澹藉澹洌澹澹溴澹觯澹洌翦澹藉危欤郑欤洌簦洌叔危ǎ玻担矗╁义希垮义希校у义希校危劐义稀⑹笨蹋掊问笨体义希洌体义希疱义希义贤迹玻沉礁鱿嗔谥实愕脑硕义隙ㄒ澹迹蓿皆冢ュ澹洌蛄扛仗逶硕讨械淖瓯浠徽帕浚锾遄龈仗逶硕保厝灰义锨
本文编号：2804989
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ301
【图文】：
在某一固定时刻，物体中质点位置的集合称为该时刻物体的构型，通常选取初始时逡逑刻或者物体的稳定运动时刻作为参考构型以方便描述物体的运动与变形。考虑参考构型逡逑中两个相邻质点构成的矢量ｄＸ，经过变形在现时构型中变为ｄｘ，如图２．１所示。逡逑ｄｘ邋＝邋ｘ（Ｘ邋＋邋ｄＸ，ｄ－；ｃ（Ｘ，ｄ，对ｘ（Ｘ邋＋邋ｄＸ，0在Ｘ处做泰勒展开，略去高阶小项，得到下逡逑式：逡逑ｄｘ邋＝邋—－ｄＸ逦（２．２）逡逑ａｘ逡逑１２逡逑
逦（２．４６）逡逑式中，Ｇ为柯西应力，Ｔ，为垂直作用在面元上的力，ｆ为面元上的法向应力，ｎ为在现逡逑时构型中面兀法向量，ｄｄ为面兀面积。由图２．２的描述可知，柯西应力张量在度量应逡逑力的变化过程中会受到刚体转动的影响，所以考虑将面元上的力投射到初始构型中，这逡逑样可以不计物体刚体位移对应力的影响：逡逑＝邋ｌｉｍ逦（２．４７）逡逑从”０邋ＡＡ０邋ｄ邋Ａ０逡逑ｔ＊（，，）邋＝邋Ｐ－ｎ＇，邋ｄＸ＝Ｐ－ｎ＇ｄＡ逦（２．４８）逡逑式中，ｎ＇为对应初始构型中面元法向矢量，ｄ４＞为对应面元在初始构型中的面积。逡逑Ｎａｎｓｏｎ公式给出了变形前后面元面积以及面元单位法向矢量之间的关系：逡逑ｄＡ邋＝邋Ｊ（Ｆ＿ｌ）Ｔ－ｄＡ0逦（２．４９）逡逑其中，？／为变形梯度的行列式值，＊／邋＝邋｜Ｆ｜，则由式（２．４６）－（２．４９）可得：逡逑Ｐ邋＝邋Ｊｏ－（Ｆ＇＇）＇逦（２．５０）逡逑１８逡逑
逦（２．５３）逡逑ｄ，－＞ｏ逦ｄ／逡逑式中，上标%奖硎疚锢砹康目凸勐市问健Ｍ迹玻持兄实悖小冢械愕睦窭嗜兆晗抵绣义献晡洌冢械憬⒂胫实阋黄鹱鏊彩备仗遄亩晗担⑶壹偕柙冢剑浚洌义鲜笨涛锾褰龃嬖诟仗遄蛩嫣遄晗抵凶辏洌剩皇芨仗遄挠跋欤粗实闼俣儒义峡梢孕次洌觯澹剑ィ洌欤蛴校哄义希洌澹藉澹洌澹澹溴澹觯澹洌翦澹藉危欤郑欤洌簦洌叔危ǎ玻担矗╁义希垮义希校у义希校危劐义稀⑹笨蹋掊问笨体义希洌体义希疱义希义贤迹玻沉礁鱿嗔谥实愕脑硕义隙ㄒ澹迹蓿皆冢ュ澹洌蛄扛仗逶硕讨械淖瓯浠徽帕浚锾遄龈仗逶硕保厝灰义锨
本文编号：2804989
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