基于气体发生的子弹药气囊抛撒数值模拟研究

引言 

弹药气囊抛撒是子母弹一种常用的抛撒方 式，其常见抛撒动力源有火药、推进剂等产气药剂。 这类抛撒动力源具有抛撒速度高、产气速度快等优 点，但燃烧温度高、抛撒过载大，易造成气囊材料的烧蚀和子弹药结构的破坏。随着子弹药向智能化发 展，其内部装载的精密光电设备对抛撒过载提出了 更高的要求，因此采用以气体发生剂为动力源的低 过载抛撒技术日益受到研究者的重视，尤其是以叠 氮化钠( NaN3 ) 为主要成分的气体发生剂，因其燃烧 速度适中、燃烧温度低、产气量大等优点正得到愈加 广泛的应用。 气囊抛撒下子弹药的运动规律研究主要采用理 论计算和数值模拟方法，其中理论计算方法包括经 典内弹道和两相流理论。经典内弹道理论善于描述 抛撒药燃烧过程和燃气的平均状态，但无法精细描 述气囊膨胀变形与弹箍断裂等非线性过程，需要对 该过程作一定简化。如对抛撒过程中气囊对子弹药 的作用面积变化进行一定假设或直接设为定值; 忽 略弹箍的弹塑性变形，假设弹箍达到断裂强度前不 发生形变且子弹药速度为 0 等。这些假设能够 简化计算但会带来一定的计算误差。两相流理论则 可以较精细地描述内弹道过程，但对三维状况求解 较为复杂，不便于实际工程应用。数值模拟方法 则主要集中在任意拉格朗日－欧拉( ALE) 法和控制 体积( CV) 法两种，一般与理论计算或试验相结合， 由理论计算或试验提供仿真计算的输入参数。现阶 段提出的子弹药气囊抛撒数值模拟方法都具有一定 的局限性。如王帅运用经典内弹道理论得到子 弹药气囊抛撒各个时期内气囊内部平均压力变化， 并将其作为输入参数用 CV 法进行数值模拟。但 CV 法定义每一时刻气囊内部各处压力均等，仅适合 于分析静态气囊问题及流场影响不大的场合，尚不 适合 在 离 位 情 况 下 的 气囊展开过程的模拟。 李嗄通过对比 CV 法与 ALE 法，得到了 ALE 法相 对于 CV 法更适合于子弹药气囊抛撒情况下的数值 模拟要求，能精确地模拟燃气冲入状态及气囊外形 变化的结论，但所建立的 ALE 法数值仿真模型假设 抛撒药瞬间完全燃烧产生燃气，忽略了抛撒药点火 燃烧过程。孟会林等采用 ALE 法，采用高速爆炸 燃烧材料模型和线性多项式状态方程对抛撒药进行 定义，但却忽略了燃烧室结构及燃烧室喷孔对药剂 燃烧及燃气喷射的影响。 为了获得一种可靠、基于气体发生剂的子弹药 气囊抛撒数值模拟研究方法，本文在气体发生器内 弹道试验基础上，使用名义燃速方程描述气体发生 器组件的整体燃烧特性，将内弹道计算得到的燃气 质量流率随时间变化曲线作为数值模拟计算的输入 参数来模拟燃气充入过程，提出了一种计算简便、实 用性强的子弹药气囊抛撒 ALE 数值仿真计算方法。

气体发生剂囊抛子弹药数值仿真

物理模型
典型气体发生气供气的子弹药气囊对称抛撒 装置结构示意图，该抛撒装置包括弹箍、气体发 生器、气囊、蒙皮、气室、子弹药等部分。其工作原理 是: 气体发生剂点火燃烧产生燃气，燃气经过中惠普气体发生器内部燃烧室升压、金属箔破裂、滤网过滤等过程 后从气体发生器喷孔中冲出，进入气室和气囊，造成 气囊与气室内部压力升高，气囊变形膨胀。随后气 囊对子弹药产生压力作用，推动子弹药发生运动并 使弹箍发生弹塑性变形，当弹箍变形达到一定程度 时，弹箍在其中部薄弱处断裂，子弹药解除约束，内 部喷射燃气能量通过气囊迅速释放，最终将子弹药 抛射出去。

有限元模型建立
采用网格划分 Truegrid 软件对有限元模型进行 参数化网格建模，因抛撒装置呈双向对称抛撒，故建 立二分之一的三维有限元模型，其中气囊、气室和弹 箍为 Shell163 壳单元，其余部件为 Solid164 实体单 元，外界空气和内部喷射燃气采用多物质 ALE 算 法，其余部件为拉格朗日算法。图 2 为建立的子弹 药气囊抛撒三维有限元模型，子弹药简化为空心圆 柱体，外径 80 mm，内径 70 mm，长度 400 mm，总质量 3. 75 kg． 外部空气域尺寸为 460 mm × 370 mm × 140 mm，气室尺寸为 400 mm × 50 mm × 33 mm，气囊 尺寸为 400 mm × 160 mm × 10 mm． 采用前后处理 Ls-PrePost 软件的 ABFold 模块，按照折叠线和折叠 流程，通过平面折叠方式中的 thin fold 折叠方法对气囊进行折叠。

材料参数选取
气囊材料采用* MAT _ FABＲIC 定义，外界空 气、喷射燃气材料特性和初始化使用关键字* MATGAS- MIXTUＲE 与 * INITIAL-GAS- MIXTUＲE 实 现。内部喷射燃气无初始网格，随着喷射过程逐 渐占据空气网格区域。 喷射气体状态采用* SECTION_POINT_SOUＲC E_MIXTUＲE 关键字设置，在该关键字下定义喷射 气体的质量流率随时间变化曲线及气体喷射点、喷 射方向等参数。采用内弹道计算给定的质量流 率随时间变化曲线( 第 2 节详细阐述) 作为有限元 模型内部喷射燃气的喷射状态参数输入。沿气体发 生器轴线方向均匀设置数个节点为气体喷射点，气 体喷射方向与子弹药运动方向相同。表 1 为各部件 材料模型及状态方程，表 2 列出了气囊织物密度与 材料各方向的杨氏模量、剪切模量和泊松比参数。

名义燃速方程及质量流率参数获取

内弹道基本假设 气体发生器通常带有燃烧室和低压室两个气 室，可将其视作整体，建立气体发生器整体燃烧特性 和外界压力的关系为对药剂的名义燃速方程参数 a、b、c 进行确 定，对装有不同氮气发生剂装药量的气体发生器进 行密闭爆发器试验，试验装置如图 4 所示。图 5 为 在密闭爆发器内放置压力传感器所测得的典型氮气 发生剂药量( 80 g，120 g) 下的 p-t 曲线。在相同药量 下带弹箍工况的子弹药出舱速度和过载峰值大于无 弹箍工况下的子弹药出舱速度和过载峰值，这是由 于弹箍的存在会限制抛撒初期的子弹药运动，导致 同时刻气囊容积较小，气囊内部压力增大，故当弹箍 断开后，子弹药所受过载将大于无弹箍工况，提高了 有弹箍工况下的子弹药抛撒速度。因此加装弹箍不 仅为约束和固定子弹药，也能起到提高子弹药出舱 速度的作用。

试验验证

为了验证子弹药气囊抛撒数值模拟结果的正确性，设计了与仿真模型完全一致的子弹药气囊对称 抛撒装置。图 16 为子弹药气囊对称抛撒装置图 ( 装填 80 g 氮气发生剂，加装弹箍) ，在子弹药外壁 安装压电式加速度传感器以记录子弹药过载，采用 高速摄影机拍摄子弹出舱速度。

结论

1) 北京中惠普气体发生器内弹道理论与试验研究基础 上，结合内弹道编程，拟合得到某型氮气发生器的 名义燃速方程。通过对比不同药量下密闭爆发器 内 p-t 曲线的试验与理论计算结果，表明使用名义 燃速方程描述气体发生器燃气的释放规律是可 行的。
2) 根据气体发生剂反应的内弹道模型，得到 燃气的质量流率随时间曲线的求解方法。采 用 LS-DYNA 有限元软件，建立以燃气质量流率－时间 历程曲线为输入条件的子弹药气囊抛撒 ALE 流体 与固体耦合计算模型，通过数值模拟得到本抛撒 结构下子弹药出舱速度及过载峰值随药量变化规 律，得到各抛撒药量下弹箍断裂时刻及内部燃气 最大压力的变化，同时验证了弹箍对子弹药抛撒 的促进作用。
3) 对数值模拟计算结果进行子弹药气囊抛撒 试验验证，80 g 药量带弹箍工况下子弹药出舱速度 计算误差为 7% ，过载峰值计算误差为 4% ，证明所 得数值模拟结论可信，本数值计算方法可用于抛撒 技术研究和工程应用。