基于膨胀波发射技术的火炮内弹道与发射动力学分析

论文摘要

本论文以新型高性能低后坐武器系统——膨胀波火炮为研究对象,针对膨胀波火炮的发射机理、后喷装置工作性能、内弹道过程数值仿真、发射性能分析及优化、发射身管振动响应及发射系统动力学特性等方面展开了研究。具体内容如下:(1)针对膨胀波火炮核心组成部分——后喷装置的结构及工作性能进行了研究分析。根据膨胀波火炮的发射机理及实现过程给出了后喷装置的设计要求及可行的后喷打开方式;结合惯性炮尾后喷装置的工作原理,对其结构参数进行选取设定,并基于膨胀波传播理论给出了后喷打开时机的计算方法;建立了后喷流场的求解模型,全面分析了发射过程中不同后喷结构下燃气的后喷流动状态及后效作用范围,论证了不同结构后喷装置的工作性能。(2)建立了膨胀波火炮一维两相流内弹道数学模型并进行数值仿真。分析了发射过程中内弹道各参量的变化规律,并同常规火炮内弹道过程进行对比计算,揭示了有别于常规火炮内弹道过程的特有的膛内射击现象;针对钝感发射药不同性能参数下的内弹道过程进行计算求解,分析了表层相对燃速系数、钝感层相对厚度以及药粒主要结构特征量等参数对内弹道性能的影响。与此同时,建立了前置喷孔膨胀波火炮双一维两相流内弹道数学模型并进行了数值求解分析,给出了发射过程中火炮膛内及导气管内各状态参量的变化规律,并分析了导气管结构参数及发射药性能对内弹道性能的影响。(3)针对膨胀波火炮发射过程中的性能优势,对其发射性能进行研究分析及优化设计。建立了膨胀波火炮及常规闭膛火炮后坐力、后坐冲量、身管热量以及发射过程中发射药能量转换的计算公式,通过数值计算比对,验证了膨胀波火炮在减后坐、降低身管热量以及提高发射药实际利用率三方面的优越性能,并给出了包括装药量、药室容积、弹丸质量以及挤进压力在内的各装填条件,后喷打开时机以及后喷结构参数对发射性能的影响规律;在此基础上,综合膨胀波火炮发射性能的评价标准,建立了膨胀波火炮发射性能的多目标优化模型并给出了相应的求解方法,以装填密度及后喷打开时机为主要优化变量进行优化计算,给出满足各评价标准的可行方案。(4)建立了膨胀波火炮身管振动响应的动力学方程并进行数值仿真。分析了发射过程中身管在膛内火药燃气、弹丸及惯性炮尾共同作用下的振动响应规律,给出了装填密度、弹丸质量、身管长度、后喷打开时机、惯性炮尾质量以及喷口截面扩张比等参数变化对身管振动响应的影响规律,并与常规发射过程下的振动响应进行了对比分析。在此基础上,给出了求解刚柔耦合系统动力学问题的建模方法,建立了膨胀波火炮发射系统整体动力学响应的刚柔耦合动力学模型并进行了数值求解,揭示了车体系统与发射身管间耦合作用的动力学特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外减后坐技术研究概况
• 1.2.1 前冲技术
• 1.2.2 可压缩液体技术
• 1.2.3 曲线后坐技术
• 1.2.4 无后坐技术
• 1.2.5 炮口制退器
• 1.2.6 电流变液技术
• 1.3 膨胀波火炮发射技术研究现状
• 1.3.1 膨胀波火炮的发射机理
• 1.3.2 膨胀波火炮的性能及存在的技术问题
• 1.3.3 膨胀波火炮发射过程的研究现状
• 1.3.3.1 膨胀波火炮发射过程的理论研究
• 1.3.3.2 膨胀波火炮发射过程的实验研究
• 1.3.4 膨胀波火炮发射动力学研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 膨胀波火炮后喷装置性能分析
• 2.1 后喷装置的设计要求及打开方式
• 2.1.1 后喷装置的设计要求
• 2.1.2 后喷装置的打开方式
• 2.2 惯性炮尾后喷装置参数选取
• 2.2.1 惯性炮尾运动参数选取
• 2.2.2 扩张喷管结构参数选取
• 2.2.3 后喷打开时机的计算求解
• 2.2.3.1 基本假设
• 2.2.3.2 数学模型
• 2.2.3.3 膨胀波速计算公式
• 2.2.3.4 内弹道拟合求解方法
• 2.2.3.5 后喷打开时机的计算求解与验证
• 2.2.3.6 工程计算方法
• 2.3 惯性炮尾后喷装置后喷流场求解分析
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 控制方程
• 2.3.3 数值求解方法
• 2.3.3.1 网格划分
• 2.3.3.2 差分格式
• 2.3.3.3 边界条件
• 2.3.3.4 计算参数
• 2.3.4 后喷流场求解分析
• 2.3.4.1 后喷流场结构分析
• 2.3.4.2 后喷流动特性分析
• 2.3.5 后喷性能对比分析
• 2.3.5.1 喷管烧蚀效果分析
• 2.3.5.2 燃气后喷能力分析
• 2.3.6 不同结构后喷装置的性能对比
• 2.4 本章小结
• 3 膨胀波火炮两相流内弹道数值仿真分析
• 3.1 膨胀波火炮两相流内弹道模型
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.2.1 基本假设
• 3.1.2.2 基本方程
• 3.1.2.3 辅助方程
• 3.2 数值求解方法
• 3.2.1 计算区域划分
• 3.2.2 数值差分格式
• 3.2.3 初始条件
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.4.1 惯性炮尾底部边界条件
• 3.2.4.2 弹底边界条件
• 3.2.4.3 喷口射流边界条件
• 3.2.5 滤波和守恒性检查
• 3.2.6 网格自动生成及合并
• 3.3 数值模拟结果及分析
• 3.3.1 计算参数
• 3.3.2 内弹道过程求解分析
• 3.3.2.1 后喷打开时机的确定
• 3.3.2.2 全面点火前期内弹道各状态参量的分布
• 3.3.2.3 全面点火后期内弹道各状态参量的分布
• 3.3.2.4 压力、速度及压力波分布
• 3.3.3 本文计算与实验结果对比
• 3.4 与常规火炮内弹道过程对比分析
• 3.4.1 膛内流动现象对比分析
• 3.4.2 压力、速度及压力波对比分析
• 3.5 发射药性能参数对内弹道性能的影响
• 3.5.1 表层相对燃速系数对内弹道性能的影响
• 3.5.2 钝感层相对厚度对内弹道性能的影响
• 3.5.3 火药尺寸对内弹道性能的影响
• 3.6 前置喷孔膨胀波火炮内弹道过程求解分析
• 3.6.1 物理模型
• 3.6.2 数学模型
• 3.6.2.1 基本假设
• 3.6.2.2 膛内流动控制方程
• 3.6.2.3 导气管内流动控制方程
• 3.6.2.4 辅助方程
• 3.6.3 数值求解方法
• 3.6.3.1 计算区域划分
• 3.6.3.2 数值差分格式
• 3.6.3.3 初始条件
• 3.6.3.4 边界条件
• 3.6.4 数值模拟结果及分析
• 3.6.4.1 计算参数
• 3.6.4.2 后喷打开时机的确定
• 3.6.4.3 膛内各状态参量的分布
• 3.6.4.4 导气管内各状态参量的分布
• 3.6.4.5 压力、速度及压力波分布
• 3.6.5 不同因素对内弹道性能的影响
• 3.6.5.1 导气管结构参数对内弹道性能的影响
• 3.6.5.2 发射药性能参数对内弹道性能的影响
• 3.7 本章小结
• 4 膨胀波火炮发射性能分析与优化设计
• 4.1 膨胀波火炮发射性能对比分析
• 4.1.1 后坐力、后坐冲量对比分析
• 4.1.1.1 后坐力、后坐冲量计算公式
• 4.1.1.2 结果对比分析
• 4.1.2 身管热量对比分析
• 4.1.2.1 火药燃气宏观内能计算公式
• 4.1.2.2 结果对比分析
• 4.1.3 发射药利用率对比分析
• 4.1.3.1 发射过程中的能量分配
• 4.1.3.2 能量计算公式
• 4.1.3.3 结果对比分析
• 4.2 不同因素对发射性能的影响
• 4.2.1 装填条件对发射性能的影响
• 4.2.1.1 装药量对发射性能的影响
• 4.2.1.2 药室容积对发射性能的影响
• 4.2.1.3 弹丸质量对发射性能的影响
• 4.2.1.4 挤进压力对发射性能的影响
• 4.2.2 后喷打开时机对发射性能的影响
• 4.2.3 后喷装置结构参数对发射性能的影响
• 4.2.3.1 惯性炮尾质量对发射性能的影响
• 4.2.3.2 扩张喷管结构参数对发射性能的影响
• 4.3 膨胀波火炮发射性能优化分析
• 4.3.1 多目标优化理论及方法
• 4.3.1.1 多目标优化问题的提出
• 4.3.1.2 多目标优化问题的解集
• 4.3.1.3 有效解的判别准则及存在性
• 4.3.1.4 多目标优化方法
• 4.3.2 膨胀波火炮发射性能优化设计
• 4.3.2.1 优化设计变量
• 4.3.2.2 目标函数
• 4.3.2.3 约束条件
• 4.3.2.4 优化模型及方法
• 4.3.2.5 优化计算分析
• 4.4 本章小结
• 5 膨胀波火炮发射动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 膨胀波火炮身管振动响应分析
• 5.2.1 膨胀波火炮身管振动模型
• 5.2.2 膨胀波火炮内弹道方程
• 5.2.3 坐标系原点运动方程
• 5.2.4 振动微分方程的解祸
• 5.2.5 数值仿真分析
• 5.2.5.1 计算参数
• 5.2.5.2 身管受载特性分析
• 5.2.5.3 身管振动响应分析
• 5.2.6 与常规火炮身管振动特性对比分析
• 5.2.7 不同因素对身管振动响应的影响
• 5.2.7.1 装填密度对身管振动的影响
• 5.2.7.2 弹丸质量对身管振动的影响
• 5.2.7.3 身管长度对身管振动的影响
• 5.2.7.4 后喷打开时机对身管振动的影响
• 5.2.7.5 惯性炮尾质量对身管振动的影响
• 5.2.7.6 喷口截面扩张比对身管振动的影响
• 5.3 膨胀波火炮刚柔耦合动力学分析
• 5.3.1 刚柔耦合动力学系统建模方法
• 5.3.1.1 物理模型
• 5.3.1.2 多刚体子系统动力学方程
• 5.3.1.3 柔性梁子系统动力学方程
• 5.3.1.4 系统整体动力学方程
• 5.3.1.5 实例仿真与验证
• 5.3.2 膨胀波火炮刚柔祸合动力学模型
• 5.3.2.1 物理模型
• 5.3.2.2 多刚体子系统动力学方程
• 5.2.3.3 柔性身管子系统动力学方程
• 5.2.3.4 系统整体动力学方程
• 5.2.3.5 动力学方程的解耦
• 5.3.3 数值求解分析
• 5.3.3.1 计算参数
• 5.3.3.2 车载子系统动力学响应分析
• 5.3.3.3 柔性身管子系统动力学响应分析
• 5.4 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 本文主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录