发射药粒破碎过程离散元数值模拟

论文总字数：22879字

摘 要

随着各国国防科技的不断发展和现代战争的不断演进，火炮的威力被不断地提高，与此同时，发射药所处的膛内环境也变得越来越恶劣，膛炸事故在世界各地频频发生。而目前已有共识：膛炸事故的发生源于低温下发射药粒的破碎。故为了评定发射药的安全性，对发射药粒破碎的研究就尤为重要。建立在非连续介质力学基础上的离散单元法成为了本文研究发射药粒破碎首选方式。本文的具体主要工作如下：

1）建立发射药粒模型

由所处的发射药安全性的大课题出发，以六方最密堆积为球颗粒构建模式，进行探索性的建模与分析。发射药粒的模型建立在PFC3D软件中进行，主要手段是自编程序并进行球形颗粒的生成。

2）理想状态下发射药颗粒的初步研究

以单轴无侧向限制的压缩方式为加载手段，研究了无初始缺陷下的发射药粒的破碎情况。发现在本文加载速率范围内，发射药粒破碎程度与峰值强度均随加载速率的增加而呈现上升趋势。

3）初始缺陷对发射药粒破碎情况影响的研究

进一步研究了发射药粒破碎情况受初始缺陷的影响。发现发射药粒破碎形式主要受其初始缺陷类型影响、初始缺陷数量的增加将导致发射药粒峰值强度的降低等。

关键词：离散单元法；发射药粒；挤压破碎

Abstract

With the evolution of the development of national defense science and technology and modern warfare, the power of artillery has been continuously improved. The problem that has arisen has been that the internal environment in which the propellant is located has become increasingly degraded, and explosions of bore have frequently occurred throughout the world. At present, there is consensus that the occurrence of bombing accidents is due to the breakage of propellant grains at low temperatures. Therefore, in order to evaluate the launch safety of the propellant charge, the research on the fragmentation of the propellant grains is particularly important. Discrete element method based on the mechanism of discontinuous media has become the preferred method for studying the fragmentation of propellant particles.

The specific work of this paper is as follows:

1. Establish a launch drug model

The model of the propellant particle is established in the PFC3D software. The main method is to program and generate spherical particles.

1. research on the propellant without initial defect.

The uniaxial compression method with no lateral restriction was used as the loading method to study the fragmentation of the propellant particles without initial defects. It was found that both the fragmentation degree and the peak intensity of the propellant particles increased with the increase of the loading rate within the loading rate range of this paper.

1. research on the propellant with initial defect.

Study the impact of the initial defect on the fragmentation of the propellant grains. It was found that the type of propellant grains fragmentation was mainly affected by the type of initial defects and an increase in the number of initial defects will lead to a decrease in the peak intensity of the propellant

KEY WORDS：DEM; Propellant particle; Press and breakage

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 发射药安全性研究进展 2

1.2.2国外研究进展 2

1.2.3国内研究进展 3

1.3 离散元法进展 4

1.4 本文的主要研究内容 5

第二章 PFC中的离散元原理 6

2.1 PFC中的基本假定 6

2.2 PFC中的计算原理 6

2.2.1 力－位移方程 6

2.2.2 运动方程 7

2.3 本构模型 7

2.3.1接触刚度模型 7

2.3.2接触滑动模型 8

2.3.3黏结模型 8

2.3.4其他非常规备选模型 9

第三章 模型的构建 11

3.1 球颗粒（ball）的生成 11

3.2 发射药粒六棱柱的生成 11

3.3 本构模型的选择 13

3.4 细观参数的标定 13

3.4.1细观参数与宏观参数的关系 13

3.4.2细观参数的标定 15

3.5本章小结 16

第四章 无初始缺陷发射药粒的挤压破碎 17

4.1 加载方式 17

4.2 发射药粒的挤压破碎形式 17

4.3 发射药粒挤压破碎过程分析 18

4.4 加载速率对挤压破碎情况的影响 20

4.4.1加载速率对发射药粒破碎程度的影响 20

4.4.2加载速率对发射药粒峰值强度的影响 21

4.5 本章小结 21

第五章 初始缺陷对发射药粒挤压破碎的影响 22

5.1 引入初始缺陷 22

5.2 初始缺陷对发射药粒破碎形式的影响 23

5.3 初始缺陷对药粒破碎程度的影响 24

5.4 初始缺陷对发射药粒峰值强度的影响 26

5.5 结论 27

第六章 结论及展望 28

6.1 本文工作总结 28

6.2 下一步工作展望 28

参考文献 30

致 谢 32

绪 论

• 1. 研究背景

在世界各国国防科技的不断发展和现代战争的不断演进的情况之下，军队对火炮等武器的性能要求也随之变的更高:口径更大，射程更远，威力更强的火炮成为武器设计及研究人员不断追求的目标。由于通常采用提高发射药填装密度的方法以期提高弹丸的初速度和打击威力，火炮逐步向着高填装密度、高膛压、高初速的方向发展。在此情况之下，其膛内的力学环境与燃烧环境愈加恶劣，火炮发射的安全性面临着较大的威胁，成为制约其发展的一大重要因素，频频发生的膛炸事故引起了全世界研究者的深度关注。

自20世纪50年代于朝鲜战场，美军发生175毫米加农炮和76毫米加农炮膛炸事故以来，包括我国在内世界各国相继在火炮武器研制过程、实际战场或者军事演习发生过不同程度的膛炸、解体等发射安全性事故。例如，我国高膛压火炮在“八五”期间发生了多次膛炸事故，造成了相当严重的后果；上世纪八十年代末，美军依阿华战列舰主炮的膛炸事故造成四十余人丧生，令人扼腕叹息；2009年，韩国与俄罗斯的膛炸事故，均造成了数十人伤亡。类似事故层出不穷，下文列举了部分国内以及国外膛炸事故情况及分析见表1及表2，膛炸事故现场见图1及图2。

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