弹药防护包装设计与验证分析

2019-03-17 版权声明 举报文章

弹药防护包装设计与验证分析

摘要:目的为某型弹药设计一种结构合理、防护可靠的包装。方法根据弹药的贮运要求,参照GJB1182,GJB145A确定防护等级和总体包装方案;根据弹药包装设计技术要求,进行包装结构设计和材料选用设计;通过仿真分析和试验验证,全面考核防护包装的各项性能。结果设计的防护包装结构合理、防护可靠,各项性能满足设计技术要求,可保证弹药在寿命周期内不发生锈蚀和功能失效。结论可应用于该弹药的防护包装,并为其他类似弹药包装设计提供参考。

关键词:防护包装;设计;验证弹药

包装作为弹药的保护容器,在弹药装卸、运输和储存等过程中发挥着重要作用,是确保弹药功能和性能稳定、可靠及价值体现的必备条件和重要的技术手段[1—2]。为防止弹药因潮湿、静电等外界因素而导致锈蚀或功能失效,设计一种防护包装使弹药在装卸、运输、贮存等过程中具有防雨水、防潮、防静电等功能,并通过仿真分析和试验验证全面考核防护包装的性能。

1弹药包装设计技术要求

根据弹药的贮运、使用及功能防护要求[3],对其防护包装提出的主要设计技术要求如下:外形尺寸(长×宽×高)不大于1500mm×500mm×350mm;包装箱质量不大于35kg;满足5层堆码强度及稳定性要求;包装状态满足0.5m高度无损跌落要求;具有防雨水、防静电能力;满足贮存温度在−50~+65℃之间。

2防护包装设计

2.1设计原则防护包装在设计时注重遵循几项原则:力求体积小、质量轻、成本低;材料来源广泛,货源充足,质量可靠;资源节约,生态环保;符合通用化、系列化、组合化的要求[4]。2.2总体方案设计通过分析弹药包装设计技术要求的可行性,运用系统的理论和方法,根据弹药外形结构特点、尺寸、质量、重心位置及功能防护要求等进行总体方案设计,按GJB1182确定该弹药的防护级别为B级,参照GJB145A确定其防护包装总体方案采用“外包装+内包装”结构形式。2.3材料选用设计2.3.1外包装材料外包装作为防护的重要组成部分,须具有足够的刚度和强度,稳定的力学性能,良好的环境适应性[5]。从工艺性及成本方面考虑,选择SMC作为外包装的主体成型材料,SMC的主要性能参数为:拉伸强度70~90MPa,拉伸模量9000~12000MPa,弯曲强度150~200MPa,弯曲模量9000~11000MPa,密度1.8~2.0g/cm2,泊松比0.4。2.3.2内包装材料内包装直接接触弹药,应与弹药有良好的相容性,且不影响弹药性能的发挥。由于弹药易受到外界潮湿空气和静电等因素的影响,因此内包装材料应选择符合GJB2605的Ⅰ类Ⅱ型防潮、防静电的材料。内包装材料的主要力学性能:水蒸气透过率≤0.31g/(m2•24h),测试方法参照GB/T1037;热封合强度≥40N/15mm,测试方法参照QB/T2358;剥离强度≥2N/15mm,测试方法参照GJB756;抗穿刺性≥70N,测试方法参照GJB756;拉伸强度≥60N/15mm,测试方法参照GJB756。2.4外包装设计外包装作为装载弹药和实现防护功能的主体构件,应在力求质量轻、体积小、成本低的条件下,进行合理的结构设计。参照GJB182A规定的尺寸系列要求,将外包装设计为矩形、大开盖形式的包装箱,集装卸、贮存、运输等功能于一体[6],主要由箱体、箱盖、锁扣等组成。其中,箱体、箱盖是外包装的主要零部件,通过合理设计箱体、箱盖结构,以达到外包装在弹药贮运及使用过程中对刚度和强度的要求,实现快速装取、防雨水、堆码和限位、装箱与固定等功能,外包装外形结构见图1。2.4.1箱体、箱盖设计箱体、箱盖为实现外包装功能的主要零部件,应具有足够的刚度和强度,方便弹药的装取。壁厚的选择为箱体、箱盖设计时首先考虑的问题,因为壁厚直接影响到包装箱的质量、刚度和强度,箱体、箱盖结构见图2。根据SMC性能参数、刚度和强度要求,通过详细的力学计算、仿真分析,并结合以往的成功设计经验,将壁厚设计为3mm,将包装箱的质量控制在合理范围内。箱体、箱盖内外表面设置了合理分布的加强筋结构,以增加其刚度和强度,外侧设置的立柱结构可保证箱体、箱盖闭合后形成框架,堆码时承担主要载荷,减轻侧壁受力,实现5层堆码强度要求。为实现弹药的快速装取,将箱体、箱盖高度比例设置为2∶1,通过8个锁扣连接箱体、箱盖,形成密闭的空间。2.4.2防雨水设计包装箱的防雨水设计主要考虑口部的防雨水密封问题。箱体、箱盖、密封圈和锁扣共同组成密封空间,协同实现包装箱的防雨水功能,见图3a。在箱盖上设置密封槽、安装密封圈,箱体上相应位置设置凸缘,通过锁扣连接箱体箱盖后,凸缘压缩密封圈,以实现包装箱的防雨水功能。为防止在贮运过程中锁扣的松动,导致防雨水功能丧失,将锁扣设计为具有自锁功能结构,保证防雨水的可靠性,锁扣结构见图3b。2.4.3堆码和限位设计为了使包装箱满足单元化、机械化要求[7—8],方便装卸和运输,以提高部队的机动性,在包装箱上设置了堆码与限位结构,见图4。这样既可满足在库房贮存时有效节约空间,又可选用标准军用托盘进行集装,实现5层堆码稳定性要求。2.4.4装箱与固定设计为了防止弹药装箱时在包装箱内窜动,应设计合理的固定结构。参照GJB1361,选用压缩回弹性良好的聚乙烯泡沫材料,设计与弹药的外形结构相配合的支撑垫和卡板,见图5—6,实现弹药在包装箱内的轴向和径向窜动。2.5内包装设计根据弹药的防潮、防静电要求,内包装材料由无纺布、PET、AL、PA、PE等材料复合而成,通过焊封制成包装袋[9—10],见图7。包装袋尺寸由弹药的最大外形尺寸确定,焊缝宽度不小于8mm,袋口留有再次热封所需的余量,袋底设置为V型切口,方便快速拆封。

3刚度和强度校核

3.1堆码工况应力、应变分析包装箱全包装状态的总质量为60kg,采用Ansys分析软件,在5层堆码时,以最底层的包装箱为研究对象,所受压力为2.35kN,分别作用于外侧立柱。通过仿真分析,包装箱所受最大应力为1.17MPa,小于SMC的拉伸强度70~90MPa;最大应变为1.4×10–4,小于SMC的应变5.83×10–3~10×10–3(应变等于拉伸强度除以拉伸模量),应力、应变云图见图8[11]。3.20.5m跌落工况应力、应变分析应用Ansys分析软件在跌落高度为0.5m时进行分析,包装箱所受最大应力为56MPa,小于SMC的拉伸强度70~90MPa;最大应变为5.33×10–3,小于SMC的应变5.83×10–3~10×10–3。应力、应变云图见图9[12]。

4试验验证

为验证包装箱是否满足设计技术要求,在某权威检测机构对包装箱实物样机按照GB/T1410,GJB150A,GJB2711,GJB1444及相关试验要求进行了试验验证,试验项目有尺寸和质量检测、内包装电阻率测试、堆码稳定性试验、堆码强度试验、高温贮存试验、低温贮存试验、振动试验、冲击试验、运输试验、0.5m跌落试验及3m安全跌落试验等[13—15]。该包装箱通过了各项试验的考核,表明包装箱的性能、功能及防护等满足设计技术要求。

5结语

防护包装采用“外包装+内包装”总体结构,外包装选用SMC为主体成型材料,内包装选用具有防潮、防静电功能的材料制作,具有防雨水、防静电、防潮密封等功能,设计合理,防护可靠,可应用于某弹药的防护包装及为其他类似弹药包装设计提供参考。

作者:白焘 杨昭 单位:西南技术工程研究所 陆航驻株洲地区军事代表室

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