布撒器薄壁金属气囊设计与动态抛撒特性研究

摘要

机载布撒器是一种新型低成本精确制导武器，具有防区外发射、模块化、多用途的战术特点，能够快速对机场跑道、集群装甲车辆等较大面积的高价值目标实现精确打击，是各军事大国加紧研究的对象，其中的子弹药抛撒系统对于布撒器应用的可靠性和打击精度至关重要。外燃式气囊抛撒技术以结构简单、成本低、子弹药过载低、分离姿态可控，便于模块化装填等优点，成为布撒器抛撒系统的优先选择。然而，其抛撒气囊一般采用柔性材质（橡胶、芳纶），一方面受材料强度的限制，承压能力较低，另一方面易老化，且对环境因素较为敏感。随着仓储时间的延长，气囊材料性能的弱化将会对整个抛撒系统的可靠性造成影响。针对这一问题和现象本文将设计一种用于抛撒系统的薄壁金属气囊，并通过试验和理论分析的方法对该型气囊在火药燃气的作用下变形膨胀性能及规律展开分析。主要研究工作和成果如下: 1.针对目前应用于布撒器抛撒气囊承压强度较低、抗氧化能力较弱的现状，本文根据技术指标的要求及理论计算，提出并设计了一种壁厚仅0.2mm的金属气囊（304不锈钢材料）。依据金属气囊的结构特性，对焊接夹具和工艺进行了设计。为获得薄壁金属气囊的承压强度，并检验结构和焊接工艺设计的合理性，设计并开展了与柔性材质气囊静态承压的对比试验，试验结果表明:薄壁金属气囊气密性良好，与橡胶/芳纶气囊相比，承压强度提高了约50％，重量降低了45％左右。 2.在承压试验的基础上，设计并开展了动态抛撒试验，对比分析了曲面和平面两种抛撒方案对结果的影响。试验结果显示，曲面抛撒方案下薄壁金属气囊膨胀高度达到约17.5mm时，短边焊缝处会发生严重的破损，影响抛撒内弹道过程。低装药量条件下子弹药的分离速度仅为10.8m/s，而高装药量条件下分离速度虽达到了14.2m/s，但囊体的破损导致抛撒角速度的产生，影响弹道的稳定性。相对于曲面抛撒方案，平面抛撒方案具有子弹药分离速度更高(17m/s)，抛撒弹道更稳定的优点，能够更好的保证布撒器抛撒系统的可靠性和稳定性，保障技术指标的实现。 3.鉴于薄壁金属气囊平面抛撒方案下的优良性能，根据试验工况，建立了该方案的内弹道模型和流固耦合模型。其中内弹道模型计算得到的燃气发生器内的燃气状态作为流固耦合模型的入口边界条件，通过分析抛撒过程中囊内流场结构特性的发展与变化规律，气囊的形态变化、囊壁动力学响应，揭示了气囊结构与囊内流场间相互影响的耦合机制，以及子弹药的受力运动特性，弥补了采用单一计算方法（内弹道、结构有限元）的不足。在此基础上，将内弹道模型和流固耦合模型的计算结果与试验值进行对比，验证了模型的正确性。 4.以装药量、入口直径、气囊初始面积以及入口偏置为特征参数，通过流固耦合数值仿真的方法，系统的分析了特征参数对抛撒过程和结果的影响，揭示了燃气流场的分布、囊壁动力学特性以及子弹药关键参数（子弹药过载和分离姿态角和速度等）对薄壁金属气囊结构特征参数变化的响应规律，提出了控制子弹药分离时运动状态的有效方法。 本文研究内容丰富了机载布撒武器中抛撒系统的类型，为抛撒系统的设计与优化提供理论参考和依据，同时为其它类型子弹药抛撒系统提供了新的设计思路和研究方法。本文的研究成果在对丰富子母战斗部武器系统的研究方法、提高研究效率方面具有重要的意义。

目录

声明

摘要

图表目录

符号表

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1机载布撒器的研究与应用概述

1．2．2子母武器系统抛撒技术概述

1．2．3子弹药囊式抛撒研究概述

1．3本文主要工作

2 薄壁金属气囊结构与焊接工艺设计

2．1引言

2．2金属气囊材料的选取

2．3金属气囊设计

2．3．1金属气囊设计要求

2．3．2金属气囊结构设计

2．4激光焊接工艺设计

2．4．1焊接夹具的设计

2．4．2激光焊接参数的确定

2．5本章小结

3 薄壁金属气囊性能试验研究

3．1 引言

3．2薄壁金属气囊静态承压试验研究

3．2．1试验系统与测试方案

3．2．2试验实施与结果分析

3．3薄壁金属气囊动态抛撒试验研究

3．3．1试验设计与测试方案

3．3．2试验结果与分析

3．4本章小结

4 理论模型与数值分析

4．1引言

4．2薄壁金属气囊抛撒内弹道模型

4．2．1基本假设

4．2．2囊式抛撒过程数理模型

4．2．3囊式抛撒过程数值计算及验证

4．3薄壁金属气囊抛撒流固耦合模型

4．3．1流固耦合动力学基本方程

4．3．2边界条件

4．3．3有限元方程和离散方法

4．3．4网格更新方法

4．4流固耦合模型验证

4．4．1有限元模型

4．4．2计算结果与分析

4．5本章小结

5 气囊特征参数对抛撒结果的影响

5．1入口边界条件对抛撒结果的影响

5．1．1计算边界条件

5．1．2囊内流场结构分析

5．1．3气囊动力学分析

5．1．4子弹药运动特性分析

5．2 入口直径对抛撒结果的影响

5．2．1计算条件

5．2．2囊内流场结构分析

5．2．3气囊动力学分析

5．2．4子弹药运动特性分析

5．3气囊长度对抛撒结果的影响

5．3．1囊内流场结构分析

5．3．2气囊动力学分析

5．3．3子弹药运动特性分析

5．4 入口偏置对抛撒结果的影响

5．4．1囊内流场结构分析

5．4．2气囊动力学分析

5．4．3子弹药运动特性分析

5．5本章小结

6 结论与展望

6．1主要工作总结

6．2论文创新点

6．3工作展望

致谢

参考文献

附录