局部激冷整治弹壳材料破碎过程仿真

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1、局部激冷整治弹壳材料破碎过程仿真第一章绪论1.1弹壳破片性能的研究背景及意义二战时期，灰铸铁是英国炮弹的主要原料，而美国的炮弹大多数以铸钢或锻钢为原料，至20世纪50年代，美国才开展铸铁材料弹壳的研究，但由于铸铁强度较低，只能作为迫击炮弹的原料。60年代后期开始，美国对新型钢种展开研制，在小尺寸榴弹的应用上得到了较好的效果。目前低合金高破片率弹钢材料的大口径榴弹在国外应用广泛，如美国的M560式、M650式榴弹以及瑞典的F77式榴弹采用的都是调质后的炮弹用钢[1-2]。钢性铸铁是二战期间俄国炮弹的主要原材料，而我国利用钢性铸铁生产榴弹则在20世纪50~60

2、年代才开始，由于刚性铸铁具有极高的脆性，极低的强度和韧性这一特性，导致弹壳在爆炸后的利用率很低，小于20%，如果装载烈性炸药，炮弹爆炸时将会丧失杀伤威力，弹壳将被炸成粉末。针对这种问题，我国在60年代后期开始研制以球墨铸铁作为弹壳材料，使弹壳利用率提高了一倍[3-4]。我国在60~70年代间，分别以球墨铸铁和D60钢作为迫击炮弹和榴弹的主要原材料。由于D60钢具有较高脆性，且强度低，所以用其作为弹体材料时，弹丸弹壁较厚，装载的炸药含量将会很少，而且D60钢的平衡组织不利于弹体炸裂时裂纹生长。之后，50MnPV、55SiMn、58SiMn、60MnMo、65

3、SiMn等钢种的诞生，是我国在高破片率弹钢的研制中取得的比较显著的成果。当以50MnPV为材料实验制作122毫米榴弹时，由于V会克服P的低温脆性，大于4克的弹壳破片比D60多16~20%；当以58SiMn钢为材料制成122毫米榴弹后，其热处理后的显微组织为微量细小的铁素体和片状珠光体，破片率可高达75%，而D60钢只有48%；对60MnMo钢来说，由于该钢Mn量较高，且含有微量Mo元素，所以60MnMo钢的破片率和屈服强度及韧性都达到了较为理想的效果[5-7]。1.2有限元方法冲击过程中物体的受力情况可以使用有限元方法进行分析。在应用力学中，将所有单元体集

4、合形成整体，建立方程，求解这个整体结构。一般步骤为：将连续体离散化；设定位移函数；分析单元特性；分析总体特性；求解。工程材料强度分析适合运用有限元分析方法进行，运用有限元方法能够减少设计时间，还能通过模拟再现合金钢受力破坏过程[11-13]。有限元分析软件ANSYS/LD-DYNA如今已成为材料研究领域不可或缺的重要工具。利用有限元分析软件对金属，尤其是合金钢材料脆性区的研究是必要的，也是各国研究人员普遍采用的研究方法。有限元分析表明，脆性断裂在以下情况中都是突然发生的，当焊接时残余应力在某些焊缝处引起轴向拉应力；钢材含有大量S、P等非金属杂质；低温情况下

5、；板材厚度过大产生应力集中时[14-15]。选择ANSYS/LD-DYNA作为有限元分析软件，用户可以通过一个非常直接的，方便的接口完成多载荷步加载、求解以及后处理。此外，增强功能还包括梁应力工具、ANSYSAPDL的自定义命令行、接触建模，以及用于提高用户仿真效率的其它工具。可以通过它来完成CAD的数据读取、几何处理、网格划分、物理环境设置、求解控制以及后处理，而不再需要在完全不同的产品中切换和处理数据库文件。可以更好的分析载荷状况，实现脆性区加工的工艺改进。使炮弹用钢在符合可控机理原则下制造出更加具有威力的可控预制破片，增强弹丸杀伤威力，提高材料利用率

6、。..第二章弹壳材料冲击破碎实验2.1实验设备和试件所选标准件为40407.5mm的合金钢，利用激光加工设备，在合金钢试件表面加工形成适当的脆性区域，观察合金钢试件冲击断裂时的状态。对于脆性带的设计，我们进行了6种不同的方式。（1）在试件表面加工十字型脆性带；（2）在试件表面加工偏十字型脆性带；（3）在试件表面加工斜十字型脆性带；（4）在试件表面加工两横两纵型脆性带；（5）在试件表面加工三横三纵型脆性带；（6）在试件表面加工两横三纵型脆性带。然后利用冲击实验机将其冲断破碎。..2.2弹壳材料冲击破碎实验本实验选用JB-300B型摆锤式冲击试验机，利用此冲击

7、试验机做实验时，锤头需要提升一定高度，且摆锤质量很高，下落过程中有一定危险，所以一定要按照正确的步骤进行冲击实验。由于本实验所选的标准件，需对原有的摆锤式冲击机进行改进，首先是对底板的改进由于本次试验所选的材料是40407.5mm的合金钢块，为了使冲击中心位于铁块的中心，所以要对底板进行改进。如图2.3所示为热处理后的铸铁底板。其次是对锤头的改进，由于试验试件为合金钢块，故需将碰撞时的线接触转变成面接触，同时要考虑碰撞的稳定性，由此增加了相应的固定元件。图2.4为试验设备所改进的锤头顶端以及所需的固定元件。图2.5为摆锤改进后的摆锤冲击机。刚才通过热处理后

8、会是晶粒变粗，帮得到脆性组织。这些组织对钢材中的裂纹生长有利，从而