Содержание
Введение.................................................:....................2
1. Численное моделирование процесса истечении жидкости через профилированные отверстия на образующей цилиндра.......................... 7
1.1. Определение гидравлического сопротивления единичного отверстия 7
1.2. Сравнение значения полученного гидравлического сопротивления с экспериментальными данными................................................ 9
1.3. Гидравлическое сопротивление системы отверстий, распределённых
вдоль оси цилиндра...................................................10
1.4. Гидравлическое сопротивление системы отверстий, распределённых
по окружности........................................................13
1.5. Г идравлическое сопротивление системы отверстий, распределённых
по окружности, а также вдоль оси цилиндра............................16
1.6. Г идравлическое сопротивление системы отверстий при расчете
с жидкостью ПОЖ-70...................................................19
1.7. Исследование изменения характера течения через систему отверстий
в зависимости от скорости втекающего потока (чисел Рейнольдса)....... 22
2. Методика математического моделирования и численный
алгоритм расчета..........................................................28
2.1. Математическая модель динамики ПОУ ССО...............................28
2.2. Уточнение коэффициентов гидравлических сопротивлений.
Математическая модель..................................................29
2.3. Численный алгоритм расчета динамики ПОУ ССО.......................... 30
3. Результаты численного моделирования динамики ПОУ ССО......................33
3.1. Результаты численного расчета динамики ПОУ ССО но
традиционной методике..................................................33
3.2. Уточнение коэффициентов гидравлических сопротивлений участка «свободного отката».......................................................35
3.2.1. Гидравлическое сопротивление системы отверстий участка «свободного отката» в начальный момент времени.........................35
3.2.2. Гидравлическое сопротивление системы отверстий участка «свободного отката» с учетом обратного течения в момент перемещения поршня на 0.06 м..........................................38
3.2.3. Гидравлическое сопротивление системы отверстий участка «свободного отката» с учетом обратного течения в момент перемещения поршня, на 0.15 м.........................................41
3.2.4. Гидравлическое сопротивление системы отверстий участка
«свободного отката» с учетом обратного течения в момент перемещения поршня на 0.24 м......................................44
3.2.5. Гидравлическое сопротивление системы отверстий участка «свободного отката» с учетом обратного течения в момент перемещения поршня на 0.353495 м.......................................47
3.2.6. Обобщение результатов расчета гидравлических сопротивлений отверстий участка «свободного отката»..................................50
3.3. Уточнение коэффициентов гидравлических сопротивлений отверстий
на внешнем цилиндре гидротормоза........................................51
3.3.1. Гидравлическое сопротивление системы отверстий внешнего цилиндра в момент перемещения поршня на 0.04 м.........................51
3.3.2. Гидравлическое сопротивление системы отверстий внешнего цилиндра в момент перемещения поршня на 0.46 м.........................54
3.3.3. Гидравлическое сопротивление системы отверстий внешнего цилиндра в момент перемещения поршня на 1.02 м.........................57
3.3.4. Гидравлическое сопротивление системы отверстий внешнего цилиндра в момент перемещения поршня на 1.365 м........................61
3.3.5. Обобщение результатов расчета гидравлических сопротивлений отверстии внешнего цилиндра......................................... 65
3.4. Расчет динамики ПОУ ССО по новой методике (с уточненными
значениями гидравлических сопротивлений)................................66
3.5. Сравнение результатов решения с результатами первого эксперимента (выстрел 1)................................................................67
3.6. Сравнение результатов решения с результатами второго эксперимента
(выстрел 2).............................................................68
Выводы....................................................................... 71
Список работ, опубликованных по теме диссерт ации............................ 72
Список литературы............................................................ 73
Введение
Состояние вопроса
Одним из важнейших элементов современных артиллерийских орудий является противооткатное устройство (ГІОУ), 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. На данном этапе развития вычисли!ельной техники и численных методов для решения подобных динамических задач в трехмерной постановке требуются многопроцессорные ЭВМ, которые пока являются уникальными и используют снсциалыюс программное обеспечение. Это обстоятельство и но настоящее время определяет выбор подходов при решении таких задач в сторону значительного упрощения разноешмх схем. Моделирование процесса высокоскоростного демпфирования связано с определением параметров массо не ретока, 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 массопсрстока используются постоянные значения гидравлических сопротивлений, полученных экспериментально для каждого типа профилированного огверешя. 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 вн)тренних 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:
в 5 4 3 1 2
Рис. 1 Схема стенда свободного отката (1-ствол, 2-дульный тормоз, З-станииа, 4-направляющая, 5-противооткатное устройство, 6-шток)
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 свойегва 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 несет существенное удорожание разрабатываемого изделия. Разработка нового противооткатного устройства или доработка существующего для достижения определенных параметров отката также
ООО
о о о
Рис. 2 Схема гидравлического тормоза
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 Ы.А. Букин, Е.Л. Бравин, К.К. Гретен, С.Б. Добринский, В.Ф. Захаренков, И.И. Иванов, А.Н. Куприянов, Б.Э. Кэрт, Ю.Б. Ковсркин, Э.К. Ларман, И.Ф. Ливурдов, Ы.'Г. Мслещснко, 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 даст удовлетворительные результаты при относительно небольших скоростях перетока жидкости, для малых размеров отверстий и больших расстояний между центрами их ссчсиий. 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 «пролпвочных» сгспдах экспериментально определяются коэффициенты гидравлических сопротивлений конкретной системы отверстий. Подобные стенды являются уникальными конструкциями, коюрыс 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 Навьс-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.
4
- Київ+380960830922