基于不同燃气压力加载速率的弹丸瞬态挤进机理研究

The different pressure loading rate during the gun launching process has significant effects on the engraving process of projectile. Different pressure loading rate can lead to different engraving process of projectile, which will cause the engraving stability problem, and affect the stability and safety of gun, ballistics and projectile directly. At the point, the theoretical modeling and experimental method of projectile's engraving process on different pressure loading rate are proposed for studying the mechanism of transient engraving process based on the laws of conservation of total pressure impulse. The following research contents will be involved in the projects: (1) Study on the coupling model of dynamic engraving process and ballistics on different pressure loading rate. Characteristies of projectile's engraving force and conservation of engraving pressure impulse can be revealed in micro scale of finite element and the macro scale of conservation of engraving pressure impuls. (2) Study on the characteristies and the influence factors of conserved quantity during the engraving process on different working condition. The effects and calculation method of the working conditon on the conserved quantity can be received by theoretical simulation and simulation engraving experiment. (3) Study on the effects of engraving process on interior ballistics under different pressure loading rate, the matching and controlling mechanism between the engraving and ballistics will be revealed under different pressure loading rate. The results can provide references for the optimization design of gun, ballistics and projectile.

火炮发射过程中不同压力加载速率显著影响弹丸挤进过程。由于不同压力加载速率会造成弹丸挤进过程差异化，并带来挤进过程稳定性问题，从而直接影响火炮、弹道及弹丸发射稳定性与安全性。基于此，提出采用不同压力加载速率下弹丸挤进过程的理论建模方法和实验方法，研究以压力全冲量守恒为特征的不同压力加载速率下弹丸瞬态挤进机理。拟开展三个方面研究内容：（1）不同压力加载速率下弹丸挤进历程及动力学与弹道学耦合模型研究，通过有限元微观层面及弹道性能宏观层面认识弹丸挤进阻力特性及挤进压力冲量守恒特性。（2）不同工况下挤进守恒量特性及其影响规律研究。通过理论模拟和弹丸瞬态挤进模拟实验，获得不同工况对挤进历程守恒量特性影响规律与求解方法；（3）不同压力加载速率下挤进过程对弹道性能影响分析研究，重点揭示压力加载速率变化时，弹丸挤进特性与弹道性能的匹配与调控机制，实现火炮、弹道及弹丸参数匹配优化设计。

弹丸挤进过程是火炮发射起始弹道中一个极为重要的组成部分。随着高性能发射及新发射原理技术的发展，弹丸挤进过程对整个发射性能的影响越来越突显。例如，由于高性能火炮的发射条件与要求日趋复杂，弹丸挤进过程由于不同装填参数条件产生的差异最终会显著影响初速稳定性甚至造成膛压反常现象。另外，在埋头弹药技术、串式发射技术等新发射原理技术中存在弹丸卡膛与挤进过程动态重叠现象，使挤进过程更加复杂。弹丸挤进过程的重要性及复杂性使其成为发射技术研究的热点和难点。本项目旨在探究火炮射击过程中不同的膛压加载速率对弹丸挤进过程影响的机理：1）建立弹带挤进过程模拟试验台架，进行了不同弹带材料、不同弹带结构参数及不同弹带挤进速率下的准静态挤进试验研究；2）建立和标定了弹带挤进过程简化切屑挤进阻力模型，利用该挤进阻力模型，对某大口径火炮弹丸挤进过程挤进阻力进行了计算，并与试验结果进行对比分析，验证了模型的准确性；3）以经典内弹道方程组的解作为弹带挤进过程的力边界条件，同时以挤进阻力的计算结果作为内弹道方程组下一增量步计算的初始条件，将经典内弹道方程组与弹带挤进过程进行耦合求解，基于连续损伤介质力学的考虑粘塑性及韧性损伤耦合效应的本构模型模拟弹带材料的损伤失效过程，采用Johnson-Cook硬化模型及失效模型，运用显式动力学算法对比不同坡膛结构下弹带挤进过程的差异，分析不同坡膛结构参数对弹带挤进过程受力状态的影响，得到挤进系统主要结构参数对弹带挤进过程的影响规律；4）应用间接测试原理，利用所建立的弹带挤进过程模拟试验装置，对比了不同挤进速率、不同挤进力加载速率及不同膛压加载速率下挤进阻力特性。本项目研究成果可应用于火炮发射技术研究，可作为界定弹带与内膛、膛线的磨损关系，检验弹带与坡膛的匹配程度，探索火炮内弹道峰出现机理及身管磨损后初速稳定性差与射击精度下降等方面问题的重要手段之一，具有重要的现实意义。