弹丸挤进过程研究的概况

摘 要：通过搜集论文资料，对近二三十年弹丸挤进过程的研究进行比较、分析和总结。前人对弹丸挤进过程的研究使人们对挤进过程有了一定程度的了解，总的来说，目前国内对这一领域的研究还处于初级阶段，还需引入新的理论，如随机内弹道学和多相流内弹道理论等，还需要更多学者的参与。

关键词：弹丸 弹带 挤进 应力 应变 ANSYS

中图分类号：TJ012.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（c）-0089-02

炮管内的膛线包括凸出和凹下部分，弹丸略大于膛内凸出部分所留的空间，弹丸受到膛线阻力的作用，所以挤进是缓慢的，当此阻力达到最大时，弹丸完全挤进了膛线，这个过程就是挤进过程。弹丸在膛内受到各种载荷的综合作用，弹丸的强度不足，弹体各部分的变形过大时，不但影响弹丸在膛内运动的正确性，在极端条件下，可能会引起膛炸事故，因此弹丸必须要有足够的强度，但是，弹丸一次发射就使用完毕，弹丸强度的过度储备，不仅没有意义，而且会妨碍弹丸其他战术技术的完满实现，所以，精确分析弹丸挤进时的应力、应变、变形就非常重要。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究状况

大多数学者研究过弹丸挤进过程的应力、应变及变形，少数学者也研究过弹丸挤进过程中弹底的压力、所受阻力及振动，本文主要针对弹丸挤进过程应力应变方面的论文。文献[1]用三维立体模型研究弹丸上膛线刻痕的形成过程、弹丸的变形和残余应力。文献[2，3，5]对弹丸挤进枪管的应力、应变、变形及受力情况进行分析。文献[4]对弹丸挤进过程中的变形和热量分布进行了有限元分析。文献[6]对计算结果进行了动态分析，得到了弹带的变形和应力的变化规律。文献[7]分析计算了MC尼龙弹带挤进坡膛过程中的应力应变及变形分布。文献[8]分析弹带、身管和膛线的应力状态及变化规律。文献[9]研究弹丸的高速冲击挤进过程。文献[10]确定了弹带区的径向应力、轴向应力、环向应力及第四强度等效应力场的分布规律。文献[11]分析弹带硬度分布与组织演变规律来探索其宏观形变的细观与微观本质。文献[12]利用弹塑性有限元接触理论对弹丸惯性卡膛过程进行了分析。文献[13]对两种不同结构的坡膛条件下的弹带挤进过程进行了计算。

除文献[1]研究弹带刻痕外，其他文献都未考虑弹带刻痕；文献[2、7]中不考虑膛线，文献[1、4]中膛线都是等齐的；文献[1、3、4]都研究小口径弹丸的挤进过程；在几何模型方面，文献[1、3、4、6、8、9、10、12、13]均建立了三维立体模型，文献[2、5、7]建立的是二维模型，这并不能很全面地反映弹丸挤进的实际情况；在大变形方面，只有文献[2、8、13]采取了Johnson-Cook模型理论，它充分考虑了应变、应变率、温度等因素。文献[7]采用塑性流动理论（增量理论）；在碰撞-接触问题方面，文献[1]采用动态接触。文献[4]采取自动接触。文献[8]采用自适应接触算法。文献[2，3，13]采用罚函数法，这种方法可通过放大和缩小步长来调节计算过程中弹丸和枪管的穿透；在应用的软件方面，文献[2、3、4、5、9]用的是ANSYS/DYNA分析软件。文献[1、6、12]用ABAQUS软件。文献[8]用MSC.DYTRAN软件。文献[10]用ADINA软件；在挤进压力方面，文献[1]中挤进压力是变化的。文献[4]中挤进压力是变化的，按压力曲线施加力。文献[3]中挤进过程是静态的，挤进压力为定值；在摩擦方面，文献[1]采用罚函数摩擦。文献[4]中采用库伦摩擦模型；在网格划分方面，文献[1]中弹丸的外表面是挤进成形的关键部位，所以从其外表至里层0.6 mm深处进行网格的细化。文献[2]中对弹丸进行映射网格划分，对枪管做自由划分。文献[3]中弹丸用映射网格划分，line划分长度选0.2 cm，枪管的line划分为0.4 cm。文献[4]中铅套采用自由网格划分，内部钢芯的变形不大，所以采用了sweep划分，弹头壳在挤进时变形量较大，所以采用分部分划分网格的方式，弹头壳底部和中间的弹带圆柱部采用sweep划分，对枪管进行划分时，先设置不同线的划分份数，然后用sweep进行划分，枪管内壁的网格长度设为1 mm。文献[5]只强调弹带和身管接触的地方相对其他地方要划分得密一些。文献[6]采用结构划分法或扫掠划分法。文献[8]强调从面的网格划分应密于主面。文献[9]对三维模型圆筒采用局部区域细化的自由网格划分法。以上13篇论文中大部分都是建立三维几何模型来研究大口径弹丸，并且考虑膛线，应用非线性有限元软件研究弹体和弹带在挤进过程中的规律，大部分都以弹体或弹带为研究对象，所以炮管均假设为刚体，并采用全自由度约束，默认为弹丸装填到位。8篇论文对网格划分情况作了说明，其中4篇论文对网格划分作了详细说明。少数论文采用大变形理论，弹炮耦合方式及摩擦模型。只有3篇论文对弹底所施加的弹底压力作了说明，其中1篇弹底压力是恒定的。

1.2 国外研究状况

1976年，文献[14]利用销-盘摩擦磨损机进行了多种弹带材料和身管高速摩擦实验。基于其实验数据推测，在火炮发射产生的高速摩擦下，弹带的磨损机理可能是弹带表面熔化进而其中一部分被去除。文献[15]利用自制的实验装置研究了摩擦产生的热效应，考察了不同材料和不锈钢之间高速滑动摩擦时的摩擦学性能和热行为。结果表明其与被测材料的物理学性能参数有密切关系。文献[16]针对铜弹带不能满足现代大口径火炮高负荷的要求，使用实弹射击的方法考察了镍、钛以及碳纤维复合材料等三种新材料代替铜弹带的可能性。文献[17]建立了包括内弹道参数、弹道热物性参数以及弹带/身管摩擦系数在内的弹带磨损模型。

国外学者认为弹丸的挤进过程实际是弹丸与身管摩擦的过程，应该从摩擦学的角度研究弹丸的挤进过程。

2 研究挤进过程用到的理论和软件

现在广泛使用的燃烧定律存在明显的缺陷，与实际情况出入很大，火药的燃烧受很多随机因素的影响，所以应展开对火药随机燃烧定律的研究。目前研究人员所用的随机模拟方法是蒙特卡洛[18]方法，用它研究各种随机参量对初速、最大膛压、初速或然误差的影响。除两相流内弹道理论，美国又成功研发了多相流内弹道模型，此模型成为弹道计算、分析和设计的有力工具。