Введение к работе
Объект исследования — пневмобаллистические системы, основанные на преобразовании внутренней энергии сжатого газа в кинетическую энергию движущегося твердого тела, в том числе пневматическое оружие.
Предмет исследования — математические модели элементов пневмобаллистических систем, включающих в себя механические, газодинамические и тепловые структурные элементы.
Актуальность темы. Для пневматических метательных устройств характерна относительно небольшая, по сравнению с огнестрельным оружием, энергетика рабочей газовой среды (комплекс RT) и, вследствие этого, более низкая скорость вылета пули (75-360 м/с) и дульная кинетическая энергия выстрела в целом (порядка 2-3 Дж для оружия с пейнтбольной и "мягкой" пневматикой, до 30 Дж для охотничьего оружия). В результате этого внутренние процессы в элементах пневмомеханических систем - в пневмотрактах, цилиндрах, клапанах и т.п. оказывают значительное влияние на технические и баллистические характеристики оружия.
Несмотря на достаточное распространение пневмобаллистических и пневмогазовых систем, ряд практических проблем, связанных с расчетом параметров их узлов и элементов, остается малоисследованным. Это связано с многообразием конструктивных схем пневмогазовых систем, сложностью газодинамических и тепловых процессов в трактах и цилиндрах оружия, усложняющей построение математической модели изменения параметров при выстреле, малочисленностью математических моделей рабочих процессов, пригодных для инженерных расчетов.
Для газобаллонного оружия требуют дополнительного изучения вопросы определения количественных параметров физических процессов, в которых совершаются фазовые переходы углекислого газа (СОг), поскольку эта информация разбросана по различным источникам и весьма противоречива. Для оружия других схем имеется информация о влиянии параметров окружающей среды на характеристики внешней баллистики, но практически отсутствует — об их влиянии на внутрибаллистические характеристики системы, что достаточно важно, поскольку атмосферный воздух является рабочим телом.
Оптимизация проектирования пневмобаллистических систем возможна только при наличии достоверной информации о влиянии значимых факторов на количественные характеристики рабочих процессов. Наиболее эффективный способ получения такой информации -численное моделирование процессов в пневматическом оружии.
Таким образом, является актуальным создание подробного математического описания механических, газодинамических и тепловых процессов в пневмобаллистических системах, позволяющего решать
проектные и конструкторские задачи, и математической модели, адекватно описывающей конструкцию и работу изделия, и удовлетворяющую проектанта по уровню достоверности и точности при приемлемых затратах времени на расчет.
Работы проводились в ИжГТУ по техническим заданиям Ижевского механического завода (г. Ижевск) в рамках хоздоговорных тем № 160/09-60, № 29/590.
Целью работы является научное обоснование имитационных математических моделей пневмобаллистических систем, их реализация в пакете прикладных программ и идентификация результатами эксперимента. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
определение параметров и характеристик пневмобаллистических систем, обеспечивающих достоверность математического моделирования исследуемых процессов;
создание физической схемы использования сжиженного COz в пневматическом оружии и математической модели газотермодинамики углекислотного оружия, позволяющей проводить численные исследования устройств, где используется или может быть использован сжиженный углекислый газ;
— численная реализация математической модели с учетом
возможностей и ограничений персональных компьютеров;
— математическое моделирование процесса в рабочем цилиндре
пневмодвигателя с учетом сопротивления движению газа, трения, тепло- и
массообмена в цилиндре и пневмотрактах, негерметичности уплотнений,
фазовых превращений во влажном воздухе, влияния динамики движения
поршня и т.д.;
— разработка методик экспериментальной идентификации
характеристик газодинамических трактов и газовых приводов
пневматического оружия, и идентификация результатов математического
моделирования для получения совокупности значений входных
параметров, типичных для данного типа пневмобаллистической системы.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании классических методов математического описания систем с сосредоточенными параметрами и методов вычислительной математики, положений газо- и гидродинамики по разделам: физико-механические свойства газов, кинематика и динамика жидкой среды, течение в каналах и гидравлический расчет трубопроводов, а также положений классической и экспериментальной механики. Реализация математических моделей проводится средствами компьютерного моделирования на IBM-совместимых персональных компьютерах.
Для идентификации характеристик пневмотрактов используются экспериментальные методы исследования газовых течений, определения
газодинамических параметров потока и характеристик механических систем. При подготовке, проведении экспериментов и обработке их результатов применяются методы теории планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
Достоверность и обоснованность результатов математического моделирования, идентификации характеристик пневмодвигателей и газодинамических трактов оценивается путем сравнения с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями на метрологически аттестованных приборах; выводами классических теоретических исследований; статистической обработкой результатов измерений.
На защиту выносятся:
математическая модель, описывающая основные газотермодинамические процессы СОг как рабочего тела в процессе его расходования из предварительно заполненного баллона ограниченного объема;
математические модели процессов в рабочем цилиндре пневмодвигателя компрессионного и пружинного типов, учитывающие отличие рабочих процессов в приводе пневмобаллистического устройства от теоретического рабочего процесса (цилиндра компрессора);
— программная реализация математических моделей и результаты
численного исследования динамики протекающих процессов;
— разработанные методики экспериментального определения
параметров оружия я установки для их реализации, в том числе
эффективной площади предствольного газодинамического тракта,
тепловых и механических потерь в пневмоцилиндре, влияния теплоотдачи
от газа в стенки пневмоцилиндра, динамики срабатывания отсечного
клапана для оружия, работающего на воздухе и углекислом газе.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными численными и экспериментальными исследованиями приводов и газодинамических трактов пневмобаллистических систем, в ходе которых:
разработана математическая модель, описывающая газотермодинамические процессы углекислого газа при переходе из жидкой фазы в газообразную и соответствующая рекомендованным в отрасли сочетаниям параметров ССЬ на линии насыщения, получены аппроксимационные зависимости для определения теплоемкости газовой фазы СОг на линии насыщения;
создана математическая модель процесса всасывания для рабочего цилиндра пневмодвигателя, учитывающие наличие мертвого пространства, содержащего порцию газа, испытавшего воздействие предыдущих рабочих циклов и изменившего свои параметры (температура, давление, влажность);
проведены численные исследования динамики рабочего цикла пневмоцилиндра газового оружия, получены графические и аналитические зависимости начальной скорости пули от исследованных параметров с оценкой значимости каждого фактора;
предложены новые методы экспериментального определения параметров пневмобаллистических систем: способ интегральной оценки потерь в пневмоцилиндре по величине амплитуд и декременту затухания колебаний давления в замкнутом объеме ("выстрел вглухую"); способ изменения характеристик теплоотдачи от газа в стенки пневмоцилиндра. путем установки теплопроводных или теплоизолирующих шайб;
Совокупность полученных результатов является научным
обоснованием технических (технологических) разработок,
обеспечивающих решение важных прикладных задач — обеспечение достоверности прогнозирования технических и эксплуатационных характеристик пневматического оружия на этапе технического предложения.
Практическая ценность работы. Разработанные математические модели и их программные реализации позволяют осуществить параметрическое исследование и научно обоснованное прогнозирование технических и эксплуатационных характеристик пневматического оружия на этапе технического предложения, определять наиболее эффективные конструкции элементов трактов и пневмодвигателей с точки зрения повышения начальной скорости пули и стабильности характеристик отдельных выстрелов и их серий.
Результаты работы были использованы при проведении исследований по созданию и паспортизации пневматического спортивного оружия, при проведении стендовой отработки элементов пневмодвигателей и газодинамических трактов, переданы заказчику в виде научно-технических отчетов, техсправок о проведенных исследованиях и пакетов прикладных программ для ЭВМ.
Техническая новизна конструктивных решений подтверждена полученными патентами Российской Федерации N 2021579, 2045740, 2069486, 2069487, 2082947, 2089831, 2096725, свидетельствами на полезную модель N 2025,2300, 2869.
За разработку системы гражданского оружия автор удостоен Премии правительства Российской Федерации.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на НТС КБ пневматического оружия Ижевского механического завода (1990-1996), Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 2000), а также на научно-технических конференциях ИжГТУ (1994, 1996,1998,2000).
В полном объеме работа докладывалась на совместном заседании кафедр "Аппаратостроение" и ТДУ ИжГТУ (2000).
Публикации. По тематике диссертационной работы автором опубликованы 9 печатных научных работ (в том числе 5 депонированных статей, 2 статьи в трудах Международных конференций, 2 статьи в Всероссийских сборниках), получены 7 патентов Российской Федерации, 3 свидетельства на полезную модель, выпущены 4 научно-технических отчета по хоздоговорным НИР.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, в том числе 11 страниц литературы, 34 рисунка (18 — на отдельных листах), 12 таблиц (7 — на отдельных листах), и состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами и библиографического списка из 113 наименований.
