滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的动态特性研究

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滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程是影响现代化火炮压制效果和毁伤能力的重要因素,该过程具有非线性、高瞬态、强载荷、材料大变形与损伤失效等特点,利用经典理论的解析模型描述其本质的效果欠佳,难以满足现代化火炮发展的要求,亟需对滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的动态特性进行深入研究。本文以滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程为研究对象,采用试验研究与理论分析、数值模拟相结合的研究方法,建立能够描述塑料弹带材料力学行为特征的本构模型,利用Fortran语言和ABAQUS二次开发平台编写塑料弹带材料子程序,建立滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的有限元动力学模型,得到了滑动式塑料弹带结构参数对膛内减旋过程的影响规律。主要工作如下:(1)设计了塑料弹带材料的力学性能试验方案,开展了力学性能试验研究。设计不同应变率下的试验方案,利用材料万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)装置对塑料弹带材料进行多种应变率下的拉伸、压缩、复合压剪和SHPB试验,获取塑料弹带材料在不同应变率下的应力应变曲线。通过试验结果获取塑料弹带材料的弹性模量、屈服强度等参数。试验结果表明,塑料弹带材料的力学行为具有明显的应变率敏感性,其屈服强度随着应变率的增加而增大。(2)建立了塑料弹带材料的本构模型,编写材料子程序,通过有限元数值模拟验证本构模型的正确性。基于Farrokh提出的屈服模型,引入非线性各向同性硬化模型,将累积等效塑性应变作为塑性内变量,建立了一种能够描述塑料弹带材料不同应变率下力学行为的本构模型,并根据塑料弹带材料力学性能试验结果拟合本构模型中的材料参数。基于弹性模量张量的应力补偿更新算法,利用Fortran语言编写材料子程序VUMAT,建立了塑料弹带材料力学性能试验的有限元分析模型,数值模拟了不同应变率下材料试样的拉伸和压缩力学响应。结果表明,数值模拟与试验结果吻合良好,验证了所建立本构模型的正确性。(3)对滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋运动进行物理过程与力学分析。基于经典的理论模型,对滑动式塑料弹带制导炮弹膛内运动过程的主要受力进行分析,研究了弹带挤进阻力、导转侧力的计算模型,以及弹带挤进过程的理论计算模型。归纳了滑动式塑料弹带结构与弹带槽的两种作用形式,给出了第二种作用方式下滑动弹带和制导炮弹弹体的转速方程,为滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程分析提供理论基础。(4)采用数值模拟方法研究获得了滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的动态特性。结合建立的塑料弹带材料的本构模型子程序,利用ABAQUS软件建立了滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的有限元动力学模型,进行数值模拟分析,得到了滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的动力学响应;分析了滑动式塑料弹带的刻槽形成过程,明晰了制导炮弹弹体在膛内运动过程中动力学响应;获取了减旋过程中的滑动式塑料弹带和制导炮弹弹体的转速变化曲线,与理论解析模型计算结果进行对比分析,明晰了膛内减旋过程中转速的变化规律;通过不同的滑动环与弹带槽间摩擦系数、弹带宽度和弹带强制量下的减旋过程的动力学特性对比分析,得到了上述三种因素对滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程的影响规律。本文针对塑料弹带进行了力学试验和本构模型研究,开展了滑动式塑料弹带制导炮弹膛内减旋过程动态特性的数值模拟分析工作,对滑动式塑料弹带制导炮弹膛内发射过程的设计、分析具有一定的理论意义和工程应用价值。
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