Численное моделирование динамики противооткатных устройств

Состояние вопроса.

Одним из важнейших элементов современных артиллерийских орудий является противооткатное устройство (ПОУ), которое гасит импульс от выстрела, предотвращая разрушение орудия. ПОУ может состоять из одного или нескольких гидравлических тормозов. Гидротормоз представляет собой замкнутую совокупность полостей, заполненных рабочей жидкостью, соединяющихся через систему отверстий.

Применение технологии численного моделирования работы подобных устройств упрощает процесс проектирования и снижает его стоимость. Па данном этапе развития вычислиюльнои техники и численных методов для решения подобных динамических задач в трехмерной постановке требуются многопроцессорные ЭВМ, которые пока являются уникальными и используют специальное программное обеспечение. Это обстоятельство и по настоящее время определяет выбор подходов при решении таких задач в сторону значительного упрощения разносшых схем. Моделирование процесса высокоскоростного демпфирования связано с определением параметров массоперетока, которые зависят от скорости отката, а также от геометрии и распределения отверстий в рабочих сосудах, через которые перетекает жидкость. В традиционном подходе для определения параметров массоперетока используются постоянные значения гидравлических сопротивлений, полученных экспериментально для каждого типа профилированного отверешя. Такой подход не позволяет достаточно точно описать поведение ПОУ, так как он не учитывает взаимное влияние параметров течения сквозь систему проходных отверешй. Взаимное влияние потоков жидкости через систему проходных отверстий экспериментально установлено и описано только для простейших случаев. Задача экспериментального определения взаимного влияния потоков для сложных конструкций с неравномерным распределением проходных сечений, которым и является гидравлический тормоз, является технологически сложной и в ряде случаев невозможной. Поэтому в настоящий момент актуально развитие имеющихся методик с использованием современных вычислительных систем для подробного исследования закономерностей массоперетока в сложных узлах ПОУ.

Особенности конструкции артиллерийских противооткатных устройств (ПОУ). Схема работы ПОУ стенда свободного отката.

Противооткатное устройство (ПОУ), обеспечивающие демпфирование силы действия пороховых газов на ствол орудия, может состоять из одного или нескольких гидравлических тормозов. Гидравлический тормоз представляет собой систему полостей с перетекающей жидкостью. Ударное воздействие на подвижные части гидравлического тормоза гасится по определенному закону за счет внутреннего сопротивления со стороны жидкости. Характер торможения движущихся частей зависит от геометрии внутренних полостей, а также от формы и размера поверхности сквозь которую жидкость перетекает между соседними полостями. Существует несколько основных типов гидравлических тормозов, одним из которых является гидротормоз с перфорированными цилиндрами. Гидравлические тормоза такого типа используются на стенде свободного отката (ССО).

Стенд свободного отката (рис.1) является полноразмерной артиллерийской системой применяемой для измерения характеристик выстрела. На нем производятся экспериментальная отладка зарядов, которые применяются на серийных орудиях. Одной из проблем проектирования артиллерийских систем (АС) в условиях повышения скорости выстрела является создание участка свободного или малоторможенного отката, предназначенного для уменьшения гидравлической силы сопротивления до момента вылета снаряда из канала ствола. Это позволяет повысить точность стрельбы или точность измерений при определении характеристик АС. На примере специализированного противооткатного устройства, применяемого на измерительном стенде ССС строятся и исследуются новая методика и алгоритм численного моделирования демпфирующих устройств.

Рассматриваемое ПОУ состоит из двух одинаковых гидротормозов, размещенных параллельно друг другу. Каждый гидравлический тормоз представляет собой гидравлический демпфер поршневого типа цилиндрической формы, на который действует усилие вызванное выстрелом. Схема гидравлического тормоза представлена на рис.2:

6 5 4 3 1 2.

Рис. 1 Схема стенда свободного отката (1-ствол, 2-дульный тормоз, 3-станипа, 4-направляющая, 5-противооткатное устройство, 6-шток).

Уч Ч ЧЧЧуЧууЧуЧ\ ЧЧХУЧЧЧЧ Ч чч 4 4 ЧЧУч’у ч'" ч\\ Ч ч,'у у кч'-ч! [Ч.ЧЧЧЧ КЧЧЧЧЧ) к’чхх чЧ [ЧЧЧЧ.Ч КчЧЧУ| КЧЧЧ) и уЧ.

ЧЧЧ'| 1ЧЧЧЧЧ ГчЧЧЧЧЧ К' п.

ТТХч гПл.

УЧЧ-1 (ЦЧЧчЧ) КЧч^л I КЧу<�чЧ кЧУчу'1 КУУу'1 г-УчГТч^У ч ч. чЛЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ ч Ч у х ч ч ч-.ч \.

ЧУ чЧЧЧЧ. .Ч уучч.Ч.

Рис. 2 Схема гидравлического тормоза.

Гидротормоз состоит из пяти полостей, заполненных рабочей жидкостью. Объем полостей I и 3 изменяется в результате движения поршня I, объем полостей 2 и 4 изменяется при движении поршня II. Первый поршень состоит из штока и непосредственно поршня, который вытесняет жидкость из перфорированного сосуда цилиндрической формы. Этот участок «свободного отката» характеризуется высокой площадью перетока из одной рабочей полости в другие. Первый поршень имеет сквозные отверстия, располагающиеся на образующей цилиндра. Второй поршень насажен на шток и приводится в действие силой гидравлического сопротивления жидкости, находящейся в полостях 2 и 4.

Переток жидкости из одной полости в другую зависит от площади сечений отверстий на стенках перфорированных цилиндров, а также от распределения давления по полостям. Отверстия нанесены на цилиндры по определённому закону, чтобы получить оптимальные свойства для динамики системы. В процессе отката подвижных частей происходит соударение двух поршней, после чего продолжается их совместное движение.

О проблеме численного моделирования ПОУ. Существующие методики численного моделирования ПОУ.

Разработка боезарядов различного назначения для артиллерийских орудий сопряжена с проведением большого числа экспериментальных выстрелов. Процесс организации каждого эксперимента является очень трудоемким затратным. Каждый последующий выстрел несст существенное удорожание разрабатываемого изделия. Разработка нового противооткатного устройства или доработка существующего для достижения определенных параметров отката также представляет собой сложнейшую задачу. Применение технологии численного моделирования работы противооткатных устройств упрощает процесс проектирования и снижает его стоимость.

С начала 20-го века для математического моделирования ПОУ широко применялись аналитические и экспериментальные методы. С развитием компьютерных технологий находят свое применение методы численного моделирования, которые открывают новые перспективные возможности своего приложения. Методы моделирования гидравлических демпферов развивали H.A. Букин, E.JT. Бравин, К. К. Гретен, С. Б. Добринский, В. Ф. Захаренков, И. И. Иванов, А. Н. Куприянов, Б. Э. Кэрт, Ю. Б. Коверкин, Э. К. Ларман, И. Ф. Ливурдов, Н. Т. Мелещенко, И. В. Медведев, Б. В. Орлов, В. М. Розенберг, В. П. Рыдаев и другие. Традиционный подход к численному моделированию динамики подобных систем заключается в использовании одномерных уравнений движения поршней и связанных с ними масс под действием разгоняющих сил сопротивления. Основные трудности связаны с определением силы гидродинамического сопротивления на поршни, которая зависит от многих факторов. Скорость массопереноса обычно определяется с помощью справочных данных [1,2] по гидравлическому сопротивлению одиночного отверстия. Этот подход дает удовлетворительные результаты при относительно небольших скоростях перетока жидкости, для малых размеров отверстий и больших расстояний между центрами их сечений. Рассматриваемое ПОУ включает в себя в качестве основных элементов цилиндрические сосуды с нерегулярно расположенными отверстиями. Эти особенности, в совокупности с высокими значениями скоростей движения поршней и жидкости, делают традиционный подход неприемлемым. Справочные данные, описанные для узкого набора систем отверстий, не позволяют точно описать гидродинамические процессы внутри устройства.

Для более точного определения гидродинамических характеристик сложных систем отверстий перфорированных цилиндров используются «проливочные» стенды. На «проливочных» стендах экспериментально определяются коэффициенты гидравлических сопротивлений конкретной системы отверстий. Подобные стенды являются уникальными конструкциями, коюрые недоступны большинству организаций. Изменение геометрических характеристик гидравлического тормоза влечет за собой неизбежное перестроение проливочного стенда и проведение новой серии измерений.

Моделирование динамики ПОУ в нестационарной двумерной постановке малоэффективна, поскольку преобразование сложной несимметричной геометрии распределение отверстий в упрощенную симметричную вызывает существенное изменение гидродинамических характеристик потока жидкости при расчете.

Моделирование процессов в полной нестационарной трехмерной постановке также влечет за собой рад проблем. Наличие большого числа отверстий малых по сравнению с общими размерами гидравлического тормоза является причиной огромного количества расчетных ячеек. Моделирование динамики ПОУ связано с частым перестроением расчетной области, что сильно увеличивает время расчета. Решение подобных задач возможно только с использованием многопроцессорных ЭВМ, которые являются уникальными, где в свою очередь используется специальное программное обеспечение.

Поэтому разработка новых эффективных подходов к решению подобных задач является актуальной проблемой. Разрабатывается компромиссный подход, основанный на использовании одномерных уравнениях движения поршней и трехмерных уравнений Навье-Стокса для определения параметров массопереноса через систему отверстий с учетом их реальных размеров, схемы расположения и взаимного влияния. Основной целью исследования является определение давлений в полостях гидротормоза, величин тормозящих сил, скоростей и перемещения движения откатных частей.

Выводы из обзора. Цели и задачи диссертационной работы. Научная новизна.

Практическая ценность.

Проведенныйанализ актуальности проблемы и литературы, посвященной численному моделированию противооткатных устройств, позволяет сделать следующие выводы:

Выводы.

1. В результате численных исследований перетока жидкости через систему отверстий установлено, что:

• для системы отверстий, нанесенных на стенки цилиндра по его образующей, происходит уменьшение гидравлического сопротивления всех отверстий по ходу течения жидкости;

• для системы отверстий, нанесенных по длине окружности цилиндра, наблюдается равное уменьшение гидравлического сопротивления всех отверстий;

• в случае отверстий, распределенных одновременно по длине перфорированного цилиндра и по его окружности, значения гидравлических сопротивлений существенно изменяются по сравнению с предыдущими случаями, что не позволяет выделить общую закономерность поведения гидравлических сопротивлений для произвольной геометрии;

• при изменении динамической вязкости на порядок (с 0.8 899 кг/(м-с) до 0.71 631 кг/(м-с)), коэффициент гидравлического сопротивления меняется незначительно;

• изменение скорости втекающего потока не вызвало существенного изменения коэффициентов гидравлического сопротивления (при числах Рейнольдса от 25 000 до 225 000).

2. Установлено, что одной из причин недостаточной точности традиционной методики расчета противооткатных устройств является упрощенное представление гидравлических сопротивлений в виде постоянных величин.

3. Разработана новая методика, алгоритм и программа расчета динамики высокоскоростных гидравлических демпферов, учитывающие взаимное влияние параметров потоков перетекающей жидкости. Описанная методика основана на композиции решения квазиодномерпой динамической задачи движения откатных частей и решений серии стационарных трехмерных задач перетекания жидкости в рабочих сосудах.

4. Из серии расчетов гидравлических сопротивлений перфорированных цилиндров ПОУ ССО в трехмерной постановке построена зависимость распределения гидравлических сопротивлений отверстий перфорированных цилиндров от времени и от координаты положения поршней. Проведены расчеты динамики ПОУ ССО по традиционной и новой методике. Установлено существенное повышение точности решения по сравнению с традиционной методикой. Результаты численного расчета, полученные по новой методике, соответствуют экспериментальным данным.

5. Разработанные программные средства и результаты численных исследований использованы и внедрены в практику ОАО ЦНИИ «Буревестник».

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в рецензируемых изданиях из списка ВАК.

1. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Моделирование работы противооткатных устройств с учетом стадии свободного отката // Проблемы прочности и пластичности. Вып. 69. Нижний Новгород, Изд-во ННГУ. Межвуз. Сб., 2007. С. 159−169.

2. И. О. Савихин, В. В. Садовский. Численное исследование нестационарных процессов в противооткатных устройствах // Проблемы прочности и пластичности. Вып. 72. Нижний Новгород, Изд-во ННГУ. Межвуз. Сб., 2010. С. 130−136.

Другие публикации.

3. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Математическое моделирование действия противооткатных устройств с учетом стадии свободного отката // Сборник докладов V Научной конференции ВРЦ РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» в двух томах. Саров, 2008. Т.2. С. 904−914.

4. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Численное моделирование работы гидротормоза с участком свободного отката // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы машиноведения». Нижний Новгород, 2006. С. 112−122.

5. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Математическое моделирование работы противооткатных устройств с учетом стадии свободного отката // Сборник докладов V конференции молодых ученых. Нижний Новгород, 2006. С. 135−145.

6. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Численное моделирование противооткатных устройств // Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции «Нелинейные колебания механических систем», Нижний Новгород, 2008. Т.2. С. 76−77.

7. A.B. Кочетков, Г. К. Мишагин, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Моделирование динамики высокоскоростных противооткатных устройств с использованием расчетных переменных коэффициентов гидравлического сопротивления // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования». Санкт-Петербург, 2008. Т.2. С. 33−34.

8. A.B. Кочетков, И. О. Савихин, В. В. Садовский. Численное моделирование динамики противооткатных устройств // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования». Санкт-Петербург, 2010. Т.1, С. 124−126.