[发明专利]一种基于ANSYS的强迫角振动条件下弹丸内弹道运动仿真方法

说明书

本发明实现了一种基于ANSYS软件平台，使用双向流固耦合技术，对强迫角振动条件下弹丸内弹道运动状态和流场分布情况进行模拟的三维仿真方法。弹丸在膛内运动直到出膛的过程是一个高温、高压、多化学反应的过程，实际实验测量较为困难。利用数值仿真技术模拟此过程有助于分析弹丸在膛内运动的状态和流场变化。本发明使用双向流固耦合数值模拟方法引入火炮身管强迫角振动方程，对强迫角振动条件下弹丸由静止到出膛的过程进行了数值模拟。本发明方法仿真所得结果有助于研究火炮行进间产生强迫角振动时，发射弹丸的运动状态和膛内外流场分布情况，对自行武器装备的研究开发具有一定意义。

技术领域

本发明涉及双向流固耦合技术，具体涉及一种基于ANSYS的强迫角振动条件下弹丸内弹道运动仿真方法。

背景技术

自行武器行进间的射击能力已经成为评价自行武器作战性能的重要指标。为了满足战场上实际情况需要，带有火炮的自行武器需要在高速行进的过程中发射弹丸，而发射时由于路面激励的影响，通常会导致其产生一定的随机振动。随机振动是由多种振动方式共同作用形成成的复杂运动。其中，强迫角振动会对弹丸的运动产生明显影响，进而导致弹丸命中精度的下降。采用双向流固耦合方法模拟强迫角振动条件下弹丸的膛内运动有助于分析弹丸在受到影响后运动状态的变化。

程诚等人([1]程诚,张小兵.内弹道两相流三维并行数值模拟[J].兵工学报,2019,40(04):769-776.)根据火药燃烧模型和内弹道方程组建立了三维仿真模型。但该方法只考虑了流场分布对弹丸运动的影响，忽视了弹丸与膛壁之间的作用以及固体结构的变形情况。此方法无法研究弹丸除流场因素外所受到的影响。

孙玉杰等人([2]孙玉杰,崔青春,丁宏民,徐坚,郭俊行.SPH-FEM耦合方法在弹丸膛内运动中的应用[J].振动与冲击,2019,38(08):166-172+187.)使用SPH-FEM耦合方法在显示动力学中分析了弹丸在内弹道过程中的受力情况，得到了弹丸的运动状态。此方法能用于分析振动过程中火炮身管与弹丸间的摩擦、受力及变形，但没有流场，无法同时考虑流场对弹丸的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ANSYS的强迫角振动条件下弹丸内弹道运动仿真方法，研究火炮在强迫角振动条件下发射时弹丸内弹道运动情况及其出膛状态，为实际试验和后续的改进、研发工作提供参考。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ANSYS的强迫角振动条件下弹丸内弹道运动仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，建立强迫角振动控制方程，得到强迫角振动角速度表达式；

步骤2，采用三维计算机辅助设计软件SOLIDWORKS建立火炮身管、弹丸和流场的三维几何模型，并输出几何模型文件；

步骤3，将建立的几何模型导入ANSYS Workbench软件平台，通过布尔运算分割固体域和流体域，并将流场区域细分为内流场、过渡区和外流场，再在mesh模块中划分网格；

步骤4，在ANSYS Workbench软件平台建立双向流固耦合求解器，设置仿真条件，进行双向流固耦合数值模拟，得到弹丸的运动状态和炮膛内外流场分布；

步骤5：根据实际路面条件和车辆性能参数，得到相应的强迫角速度变化方程，结合步骤2-4进行数值计算，得到需要的弹丸运动参数和流场分布结果。

进一步的，步骤1中，建立强迫角振动控制方程，得到强迫角振动角速度表达式，具体方法为：

根据履带车辆运动时的振动特性，构建履带车辆强迫角振动微分方程为：

式中，I_y为悬挂部分的转动惯量，t为时间，ω为振动角速度，M_k为弹性力矩；

又有：