弹箭与制导学报

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2025 , Vol. 45 >Issue 4: 555 - 559

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.04.014

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单主动件后抛式子母弹弹底连接强度分析

  • 岳浩然 ,
  • 梁建峰 ,
  • 田铭 ,
  • 周思渊 ,
  • 杨广
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  • 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065

岳浩然(1995—), 男, 工程师, 硕士研究生。 E-�ail:

收稿日期: 2024-07-21

  网络出版日期: 2025-09-22

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Strength Analysis of Connection Between Base and Carrier Shell of Terminal Sensitive Munition

  • YUE Haoran ,
  • LIANG Jianfeng ,
  • TIAN Ming ,
  • ZHOU Siyuan ,
  • YANG Guang
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  • Xi'an Mordern Control Technology Research Institute,Xi'an 710065,Shaanxi,China

Received date: 2024-07-21

  Online published: 2025-09-22

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摘要

加榴炮末敏弹为单主动件后抛式旋转子母弹,即在发射过程中,只有弹体通过导带和火炮膛线之间的相互作用赋予弹丸旋转,并带动内装的子弹、弹底等一起旋转。文中对单主动件后抛式子母弹在发射过程中的弹底螺纹失效现象开展分析,通过故障现象梳理、仿真计算、理论分析的方法定位了故障原因,给出了弹底螺纹失效的理论机理。将弹底复杂的受力进行分解,总结出了适用于单主动件后抛式子母弹的子弹导旋力矩分解方法,并对分解的每部分力矩进行定量计算。弹底脱落原因定位为:子弹导旋键强度不足而导致子弹与母弹弹体主动件的旋转不同步,因子弹与弹底摩擦力的作用导致弹底的惯性力矩大幅增加,使得发射时弹底螺纹的拧紧力矩陡增。螺纹受到的剪切应力1 293 MPa远大于许用应力,进而导致螺纹剪切失效。研究揭示了该类型子母弹子弹与母弹的同步旋转能力对弹底连接强度的影响,对后续同类型的产品设计具有指导意义。

关键词： 后抛式子母弹; 旋转弹; 螺纹强度; 故障分析

本文引用格式

岳浩然 , 梁建峰 , 田铭 , 周思渊 , 杨广 . 单主动件后抛式子母弹弹底连接强度分析[J]. 弹箭与制导学报, 2025 , 45(4) : 555 -559 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.04.014

Abstract

The terminal sensitive munition of the howitzer is a single active rearward ejecting rotating projectile, which contains carrier shell, submunitions, base and others. The carrier shell is, during the firing process, the only component that is imparted spin by the interaction between the rotating band (or grommet)of the projectile and the rifling(or land) of the tube of the cannon, and drives the internal submunitions and the base, etc. to rotate together. This article analyzes the failure phenomenon of the base thread of the projectile during launch. Through fault tree analysis, simulation calculation, and theoretical analysis, the cause of the failure is identified, and the theoretical mechanism of the base thread failure is provided. The works are by decomposing the complex forces on the base and summarizing a rotational torque decomposition method of the submunitions for the projectile, and quantitatively calculating the torque of each decomposed part. The reason for the detachment of the base could be determined to be due to insufficient strength of the submunition rotating pin, which caused the rotation of the submunition and the carrier shell to be asynchronous. The frictional force between the submunition and the base results in a significant increase in the inertia moment of the base, causing a sudden increase in the tightening torque of the thread at the base during firing, leading to thread shear failure, because the shear stress forced on the thread is much larger than the allowable stress of 1 293 MPa. This study reveals the influence of the synchronous rotation ability between the submunition and the carrier shell of this type of munition on the strength of the base connection, which has guiding significance for the design of similar products in the future.

Key words： base ejecting cluster projectile; rotating projectile; thread strength; fault analysis

0 引言

在常规兵器中,很多子母弹都是旋转弹,并采用后抛撒方式抛撒。子母弹的母弹作为运载体,飞至目标上空时可及时开舱、抛出子弹药,目前火炮发射的子母弹大多都是后抛式开舱,弹底与弹体靠螺纹连接[1-2]。林永生等[3]对后抛式子母弹的螺纹连接可靠性进行了有关计算,证明了理论分析方法对后抛弹丸螺纹计算的准确性。
当母弹飞至目标上空时,预先装订好的引信点燃抛射药,抛射药燃烧并产生一定压力。压力作用于推板上,推板所承受的总推力通过内装子弹传递到弹底上。弹底受力剪断连接螺纹并被推出,随后子弹药被相继推出[4-6]。
旋转弹丸通过急螺稳定效应保证弹丸飞行稳定,要实现急螺稳定效应必须保证弹丸有很高的转速[7]。发射过程中,通过导带和火炮膛线之间的相互作用赋予弹丸旋转[8]。后抛式子母弹主要由母弹弹体、弹底和内装子弹组成,在发射过程中必须保证所有组成部分同步旋转[9]。末敏弹、照明弹等旋转后抛式子母弹类产品多采用导带在弹体上的设计。在发射过程中只有弹体作为主动件带动内装子弹、弹底等一起旋转[10-11]。文中针对典型子母弹在发射过程中出现膛内弹底脱落现象开展故障排查和理论分析,给出失效原因与机理,总结出子母弹设计中需要注意的问题。

1 典型弹药与故障现象

加榴炮末敏弹是一种单主动件后抛式旋转子母弹,仅在母弹弹体上焊接导带,弹底由螺纹与弹体连接,内装两枚末敏子弹,在发射时只有弹体是主动旋转件。内装的两枚末敏子弹通过导旋键与母弹弹体内壁的键槽配合,实现母弹弹体到子弹的赋旋。末敏弹丸的结构如图1所示[12-14]。
图1 末敏弹丸结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of terminal sensitive projectile structure

该构型加榴炮末敏弹进行弹体及零部件强度试验时出现异常,具体情况简述如下:试验测试弹丸初速949.1 m/s,射角310密位。雷达瀑布图上显示在出炮口0.05 s出现两个物体的飞行曲线,说明有物体掉落。根据落点观测情况,在射向距离7 767 m,方向165 m出处发现弹丸,比预估位置近800 m。在回收的弹丸和落弹坑里未发现弹底,结合雷达瀑布图,判断弹底在出炮口即脱落,雷达瀑布图如图2所示。
图2 弹底受到的4个力矩示意(俯视)

Fig.2 Schematic diagram of the four torques acting on the bottom of the projectile (viewed from above)

2 故障定位

通过梳理故障现象,从设计、制造、试验等多方面入手,经过排查和试验现象比对,可以排除生产过程失控、射击条件问题以及弹底连接密封失效原因[15]。故障可能由以下3点导致:
1)弹底螺纹剪切强度不足,膛内轴向过载导致弹底螺纹剪切破坏;
2)子弹与母弹不发生相对旋转的前提下弹底螺纹连接强度不足导致螺纹在过度旋紧力的状态下发生剪切破坏;
3)子弹与弹体旋转不同步的情况下弹底螺纹发生破坏。

2.1 弹底螺纹承受轴向过载强度分析

发射时弹体产生的轴向惯性力由3个受力件承担,即抛射装药管壳、弹底螺纹、弹底凸台,仿真表明抛射装药管壳可以承担弹体轴向惯性力的1/10,因此,弹底螺纹和弹底凸台剪切应力可表示为[16]:
τ= m 1 a g × 0.9 π d 1 t + 0.5 π d 2 h
式中:m1为弹体合件及引信质量;a为过载系数(按压力360 MPa计算);d1为闭起环槽底直径;t为弹底凸台宽度;d2为弹体合件与弹底连接螺纹中径;h为弹底连接螺纹宽度。
按尺寸公差下限,代入式(1)可得τ=626.4 MPa,小于弹底材料剪切许用应力下限650 MPa,故在轴向过载作用下弹底螺纹和弹底凸台均不会发生剪切,故障再现试验证明了弹底凸台未发生剪切。
采用LS-DYNA高度非线性动力学分析软件进行弹丸膛内发射过程模拟,整个发射过程全弹零部件无失稳现象。弹体、弹底在最大膛压(施加360 MPa)时弹底的综合应力为1 114 MPa,剪切应力为643 MPa。弹底凸台最大形变量为0.006 mm,出炮口后形变量基本恢复。因此可以排除弹底螺纹剪切强度不足导致在轴向过载下弹底螺纹剪切破坏的情况出现。

2.2 子弹与弹体同步旋转时弹底螺纹连接强度分析

假设子弹在发射过程中没有与母弹发生相对旋转。此时,弹底受到如图2所示的4个力矩作用,即子弹轴向惯性力作用于弹底前端面的摩擦力矩MZ、弹体轴向惯性力作用于弹底凸台端面的摩擦力矩MT、弹底与弹体连接螺纹之间的摩擦力矩T1与拧紧力矩产生的弹底凸台端面摩擦力矩T2之和MF、角加速度产生的弹底惯性力矩MG。其中摩擦力矩在子弹与弹体无相对转动的情况下有利于使弹底与弹体保持同步旋转,弹底惯性力矩属于破坏力矩。为了可靠起见,忽略摩擦力矩MZ,MT的有利影响,仅考虑弹底惯性力矩MG的破坏作用。
弹底连接螺纹受到的弹底惯性力矩MG与弹丸膛内运动的角加速度大小成正比。通过计算可知,弹底连接螺纹受到的最大拧紧力矩(弹底惯性力矩)为5 361 N·m,螺纹牙受到的最大剪切应力为588 MPa,小于剪切许用应力650 MPa。因此,当子弹不与母弹发生相对旋转时,连接螺纹自身强度满足要求。

2.3 子弹与弹体旋转不同步的情况分析

2.1节与2.2节确认了当子弹与弹体不发生相对旋转时,弹底的连接强度是满足要求的。本节对子弹与弹体在发射过程中因局部结构失效而发生相对旋转的可能性开展分析。

2.3.1 子弹串与弹体同步旋转需要的导旋力矩分析

弹丸膛内运动时,在导转侧力作用下弹丸旋转,因为两条导带均位于弹体上,弹体作为主动件带动拱形推板、前子弹、后子弹、弹底(合称子弹串)等被动件旋转,若被动件能够实现同步旋转,则子弹串可视为同一刚体,实现子弹串与弹体同步旋转所需的导转力矩为[17]:
M=Jc·ε
式中:M为导转力矩;Jc为子弹串极转动惯量;ε为弹丸角加速度。
代入数值计算可得,子弹串实现与弹体同步旋转所需的最大导旋力矩为32 855 N·m。

2.3.2 弹体能提供给子弹串的最大导转力矩分析

弹体通过导旋键的导转力矩以及弹体与弹底连接螺纹、弹体与弹底凸台接触端面之间的摩擦力矩带动子弹串同步旋转。导旋键、连接螺纹和弹体与弹底凸台端面能够提供的最大导转力矩T为:
T=M1+M2+T1+T2+T3
式中:T为弹体能提供给子弹串的导转力矩;M1为前子弹导旋键能传递的导转力矩;M2为后子弹导旋键能传递的导转力矩;T1为弹体与弹底连接螺纹所能承受的最大摩擦力矩;T2为在螺纹拧紧力矩作用下,弹体与弹底凸台端面上的摩擦力矩;T3为发射惯性力带来的弹体与弹底凸台端面上的摩擦力矩。
下面对式(3)中的每一项进行计算分析。
1)导旋键能传递的导旋力矩计算
前后导旋键结构一致,单个导旋键能传递的最大导转力矩M1,M2为:
M1=M2=L·h·[σ]·r
式中:L为导旋键贴合长度;h为导旋键贴合高度;[σ]为许用接触应力,[σ]=(1.7~2)[σs];r为子弹半径。
导旋键贴合长度为77.5 mm,导旋键理论贴合高度为0.5~0.74 mm,考虑到最大膛压时弹体内表面会产生径向变形,进而降低导旋键的贴合高度,仿真表明最大膛压时刻弹体上下定心部及圆柱部内径的最大变形量为0.11 mm。
因此,导旋键实际贴合高度为0.39~0.63 m,[σs]为1 176~1 350 MPa,贴合长度为78 mm,子弹半径为73 mm时,单根导旋键所能传递的最大导转力矩值见表1。
表1 单根导旋键能够提供的导转力矩

Table 1 Guiding torque that a single guiding key can provide

Adhesive height
of the rotary
key/mm		 Allowable contact
stress coefficient		 Yield
limit/MPa		 Guiding torque/
(N·m)
0.39 1.7 1 176 4 381
2 1 176 5 152
1.7 1 350 5 027
2 1 350 5 915
0.63 1.7 1 176 7 077
2 1 176 8 326
1.7 1 350 8 124
2 1 350 9 558
表1表明,单根导旋键可承受的导转力矩在4 381~9 558 N·m之间。
2)弹体与弹底连接螺纹所能承受的最大摩擦力矩计算
弹体与弹底连接螺纹所能承受的最大摩擦力矩为[18-19]:
Tl=Qp· d c p 2·tan(λ+φ)
QP=kzπd2bu[τ]
式中:QP为连接螺纹最大轴向预紧力;dcp为螺纹中径;λ为螺纹升角,文中取λ=0.154°;φ为螺纹副的当量摩擦角,文中取φ=6.59°~9.83°;d2为螺纹小径;kz为载荷不均系数,kz≈0.5;b为单个螺纹剪切宽度;u为连接扣数(去除扣头);[τ]为许用剪切应力。
将相关参数代入式(5)、式(6),计算可得Qp=364 623 N,T1=3173~4724 N·m。
3)螺纹预紧力下弹体与弹底凸台端面上的摩擦力矩计算
在螺纹预紧力作用下,弹体与弹底凸台端面上的摩擦力矩为:
T2= 1 3f·Qp· D 0 3 - d 0 3 D 0 2 - d 0 2
式中:f为弹体与弹底凸台端面间的摩擦系数,考虑装配过程中弹体后端面沾染润滑脂和硅橡胶,按动摩擦取f=0.1;D0为弹底凸台端面外径;d0为弹底凸台端面内径。
将相关参数代入式(7),计算可得 T2=2755 N·m。
4)发射惯性力下弹体和弹底凸台端面上的摩擦力矩计算
发射惯性力带来的弹体与弹底凸台端面上的摩擦力矩为:
T3= 1 3f·Qg· D 0 3 - d 0 3 D 0 2 - d 0 2
式中Qg为发射过程中弹体施加给弹底凸台端面的轴向惯性力。
将仿真得到的轴向惯性力Qg代入式(8),计算可得T3=12701 N·m。
将M1,M2,T1,T2,T3代入式(3)可得:弹体能提供给子弹串的最大导旋力矩T在27 391~39 295 N·m之间。
从计算结果可知,子弹串与弹体实现同步旋转所需的导旋力矩M=32855 N·m,介于弹体能提供给子弹串的最大导旋力矩T取27391~39 295 N·m。当T<M时,子弹串就不能与弹体保持同步旋转,子弹导旋键或弹底连接螺纹就会有一个先失效,进而连锁失效[20]。

2.3.3 数值仿真验证

将后抛式末敏弹全弹模型与身管模型进行适配,模拟末敏弹的发射过程,有限元模型如图3所示。
图3 全弹与身管有限元模型

Fig.3 Finite element model of full bullet and barrel

下面主要分析发射过程中弹底螺纹受力情况,弹丸运动范围为弹带由坡膛至完全挤进膛线阶段,在数值模拟时,选择局部身管作为研究对象,为提高计算效率,将末敏弹部分零部件等效为刚性材料,弹底螺纹采用简化模型计算。弹底螺纹简化模型如图4所示。
图4 螺纹连接简化模型

Fig.4 Simplified model of threaded connection

将火炮的发射膛压曲线作为输入工况,采用SPH算法,对末敏弹的发射过程进行仿真分析,弹底螺纹牙的受力云图如图5所示。
图5 弹底螺纹牙损伤云图

Fig.5 Cloud map of damage to spring-loaded threaded teeth

由图5可看出,螺纹螺牙在拧紧的过程中,螺牙轴向受力轴向剪切,螺牙周向膨胀,牙顶剪切破坏。

3 破坏机理分析

对子弹导旋键失效从而导致子弹与母弹发生相对旋转时弹底螺纹的破坏现象进行机理分析。
弹底螺纹产生剪切破坏与子弹导旋键失效密切相关,当子弹导旋键失效时,子弹与弹体发生相对转动,此时,子弹轴向惯性力在弹底前端面产生的摩擦力矩MZ的作用方向发生反转,与弹底惯性力矩MG同向,大幅增加了弹底螺纹的拧紧力矩。
子弹轴向惯性力产生的作用于弹底前端面的摩擦力矩MZ为:
MZ= 1 3f·Qg· D 0 3 - d 0 3 D 0 2 - d 0 2
文中Qg=4122027 N,代数并计算MZ=19126 N·m。
最大角加速度时刻弹底的惯性力矩MG为:
MG=Jc·ε
计算得MG=5361 N·m。
弹底螺纹拧紧力矩MN为:
MN=MZ+MG-T3=T1+T2
将MZ,MG,T3代入式(11)得弹底螺纹拧紧力矩MN=11786 N·m,此拧紧力矩下弹底连接螺纹最大轴向预紧力为725 114 N,弹底螺纹此时受到的剪切应力为1 293 MPa,远大于许用剪切应力650 MPa,因此会产生剪切破坏。

4 结论

通过对单主动件后抛式子母弹在发射过程中的弹底螺纹失效现象开展分析,对故障现象进行了梳理,确定了3种需要排查的故障原因,通过仿真计算和理论分析确定了故障发生的可能原因。将弹底复杂的受力进行分解,总结出了适用于单主动件后抛式子母弹的子弹导旋力矩分解方法,并对分解的每部分力矩进行定量计算。定位了弹底脱落原因定位为:子弹导旋键强度不足而导致子弹与作为主动件的母弹弹体的旋转不同步。因子弹与弹底摩擦力的作用导致弹底的惯性力矩大幅增加,使得发射时弹底螺纹的拧紧力矩陡增。螺纹受到的剪切应力1 293 MPa远大于许用应力,进而导致螺纹剪切失效。
该研究对后续同类型的子母弹设计具有指导意义,需要重点注意子弹和母弹的同步旋转能力给弹底螺纹带来的强度影响。

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