彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真

岳明凱，邱　浩，焦志剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽　110159)

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彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真

岳明凱，邱浩，焦志剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽110159)

摘要：針對(duì)慣性觸發(fā)引信設(shè)計(jì)過程中引信零件爬行力計(jì)算問題，分析了引信及彈丸在外彈道飛行時(shí)的受力情況，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件(FLUENT)對(duì)彈丸空氣動(dòng)力進(jìn)行了仿真分析，得到了彈丸在外彈道飛行的阻力和翻轉(zhuǎn)力矩。再由虛擬樣機(jī)軟件(ADAMS)對(duì)彈丸整個(gè)飛行過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到彈丸在整個(gè)外彈道的穩(wěn)定性情況、飛行軌跡和引信活擊體受到的爬行力。所得結(jié)果和分析對(duì)彈丸外彈道分析及引信慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：引信；外彈道；活擊體；爬行力

Citation format:YUE Ming-kai, QIU Hao, JIAO Zhi-gang.Numerical Simulation of Projectile Exterior Ballistic and Creep Force of Fuze Active Inertia Body[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):20-22.

爬行力是彈丸外彈道飛行過程中引信零件受到的重要環(huán)境力，它可作為引信解除保險(xiǎn)的環(huán)境力，也可作為反恢復(fù)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)力[1-3]。爬行力有可能引起已解除保險(xiǎn)的活擊體誤動(dòng)作，需要采用保險(xiǎn)零件予以克服。因此在慣性觸發(fā)引信設(shè)計(jì)過程中，對(duì)活擊體爬行力進(jìn)行計(jì)算是十分必要的。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT仿真可得到彈丸外彈道飛行的氣動(dòng)參數(shù)[4-7]。依據(jù)仿真得到的彈丸氣動(dòng)參數(shù)，通過虛擬樣機(jī)軟件ADAMS對(duì)彈體及引信零件外彈道飛行進(jìn)行數(shù)值模擬，可以獲取彈丸的外彈道飛行姿態(tài)、飛行軌跡，同時(shí)得到引信活擊體爬行力。

1受力分析及外流場(chǎng)仿真

1.1彈丸受力分析

彈體飛行過后效期后，不再承受火藥氣體壓力，不再做加速運(yùn)動(dòng)。相反，彈體在空氣等非目標(biāo)介質(zhì)中做減速運(yùn)動(dòng)，引信零件受到與載體減速度方向相反的軸向慣性力，一般用FP表示[8]。表達(dá)式為

FP=mJ

(1)

式(1)中：m為引信零件的質(zhì)量；J為彈體的減速度。

旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，J表示的空氣阻力加速度，一般表達(dá)式為

(2)

式(2)中：Cd為彈道系數(shù)；π(y)為氣壓函數(shù)；F(vτ)為空氣阻力函數(shù)。如圖1所示為彈底引信零件受到的爬行力FP和彈丸受到的阻力R。

圖1　爬行力及阻力簡圖

彈丸在空中飛行時(shí)，當(dāng)彈軸與速度矢量不重合時(shí)，空氣對(duì)彈丸作用力的合力R不再與彈軸ξ及速度矢量v共線反向，R的作用點(diǎn)即壓力中心對(duì)旋轉(zhuǎn)彈在彈頂和質(zhì)心O′之間。R的指向不與ξ和v平行，而是以速度矢量v為準(zhǔn)向彈頂一方偏離，如圖2所示。這一方面使R在沿速度矢量v的方向及垂直于v的方向分別產(chǎn)生了分量，即切向阻力Rx和升力Ry，另一方面R對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生了力矩Mz。除此之外，由于彈丸繞彈軸和繞赤道軸的轉(zhuǎn)動(dòng)等原因，又產(chǎn)生了極阻彈尼力矩Mxz、赤道阻尼力矩Mzz、馬格努斯力Rz和馬格努斯力矩My等空氣動(dòng)力和力矩[9]。

圖2　有攻角時(shí)彈丸空中飛行受力簡圖

1.2彈丸外流場(chǎng)仿真

利用ICEM CFD建立一個(gè)圍繞彈丸的圓柱體流場(chǎng)計(jì)算域，采用ICEM CFD中先進(jìn)的塊網(wǎng)格劃分技術(shù)，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證網(wǎng)格品質(zhì)，整個(gè)流場(chǎng)域劃分了7 771 385個(gè)網(wǎng)格[9]。計(jì)算域如圖3所示。

將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中，外邊界設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件，彈體設(shè)為固壁條件。取來流為理想氣體，攻角δ=0～3°；馬赫數(shù)Ma=0.4～3，對(duì)彈丸進(jìn)行氣動(dòng)力分析。圖4所示為攻角為零和攻角不為零時(shí)仿真得到的彈體周圍壓力分布圖。

圖3　計(jì)算域

從圖4中可看出彈丸頭部，上下定心部以及彈尾部產(chǎn)生了明顯的激波，同時(shí)當(dāng)存在攻角時(shí)可明顯觀察到彈丸上下兩側(cè)的激波不對(duì)稱。

圖4　彈體周圍壓力分布圖

2外彈道及活擊體爬行力分析

建立彈體及活擊體等三維模型如圖5所示，在ADAMS中設(shè)定彈丸的初速為980 m/s，轉(zhuǎn)速為2 646 rad/s，射角為分別為15°、30°和45°，將前面氣動(dòng)分析得到的阻力和翻轉(zhuǎn)力矩以數(shù)表的形式給出[10-11]。彈丸阻力如表1所示，翻轉(zhuǎn)力矩如表2所示，取仿真步長為0.01 s；設(shè)置傳感器，當(dāng)彈丸質(zhì)心高度為零時(shí)，結(jié)束仿真。

圖5　彈體及活擊體等三維模型

馬赫數(shù)0.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0阻力/N2751160248310376443511579647715784853

表2　翻轉(zhuǎn)力矩?cái)?shù)

2.1彈丸飛行穩(wěn)定性分析

當(dāng)旋轉(zhuǎn)彈有章動(dòng)角時(shí)，其空氣阻力在彈丸質(zhì)心前方，將產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩使攻角增大。但彈丸自傳時(shí)，只要轉(zhuǎn)速高于某個(gè)數(shù)值，彈軸將不會(huì)因翻轉(zhuǎn)力矩的作用而翻轉(zhuǎn)，而是圍繞某一個(gè)平均位置旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，這就是所謂的陀螺穩(wěn)定性。追隨穩(wěn)定性是指彈丸在重力的作用下，彈軸能追隨速度矢量的下降而下降。具有陀螺穩(wěn)定性和追隨穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)彈，其彈軸相對(duì)彈道切線的擺動(dòng)幅值沿彈道衰減的彈則稱為具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的彈。彈丸在不同時(shí)刻的姿態(tài)圖，如圖6所示。

圖6　彈丸在不同時(shí)刻的姿態(tài)

彈丸在整個(gè)飛行過程中沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)，彈軸隨速度矢量下降而下降，滿足了陀螺穩(wěn)定、追隨穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的要求。直觀地再現(xiàn)了彈丸在外彈道中的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)說明前面氣動(dòng)分析得到的力和力矩是正確的。

2.2彈丸彈道曲線及活擊體爬行力分析

通過ADAMS的后處理可以得到彈丸飛行的彈道曲線(圖7)，以及活擊體爬行力隨彈丸飛行時(shí)間的變化曲線(圖8)。

圖7　彈丸飛行彈道曲線

圖8　活擊體所受爬行力與X射程關(guān)系

通過上面曲線可知射角為45°時(shí)彈丸的射程最遠(yuǎn)，其飛行時(shí)間為63.5 s，最大彈道高為5.393 9×106mm，射程為1.35×107mm。爬行力在整個(gè)彈道都是存在的，出炮口后爬行力迅速減小，在彈丸剛出炮口時(shí)活擊體所受的爬行力最大，其最大值為2.18 N，保險(xiǎn)零件滿足強(qiáng)度要求。射角越大，活擊體爬行力減小的越迅速。射角較小時(shí)，在整個(gè)彈道活擊體的爬行力都較大。

3結(jié)論

本研究利用數(shù)值仿真的方法，運(yùn)用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)軟件仿真得到了彈丸在外彈道飛行過程中受到的阻力和翻轉(zhuǎn)力矩。根據(jù)氣動(dòng)分析得到的彈丸氣動(dòng)力參數(shù)，利用ADAMS軟件對(duì)彈丸外彈道進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真得到了彈丸在整個(gè)外彈道飛行過程中彈道曲線及其引信活擊體所受到的爬行力。分析結(jié)果對(duì)彈丸外彈道分析以及引信慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)具有一定的參考意義。

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(責(zé)任編輯周江川)

Numerical Simulation of Projectile Exterior Ballistic and Creep Force of Fuze Active Inertia Body

YUE Ming-kai, QIU Hao, JIAO Zhi-gang

(Equipment Engineering College, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:Aiming at the problem of calculating the creep force of the fuze parts in the design process of the inertial trigger fuze, the force of the fuze and the projectile flyed in the exterior ballistic were analyzed. The aerodynamic force of the projectile was simulated and analyzed by using the computational fluid dynamics (FLUENT) software. The resistance and the overturning moment of the projectile in the exterior ballistic were obtained. And then by the virtual prototype software (ADAMS) to simulate the whole flight process, we got the stability of the projectile in the whole exterior ballistic, the trajectory of the flying and the creep force of the active inertia body.of fuze The results and analysis have a certain reference value for the design and research of the ballistic trajectory analysis and the inertial trigger mechanism of the projectile.

Key words:fuze; exterior ballistic; active inertia body; creep force

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0020-04

中圖分類號(hào)：TJ430.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.005

作者簡介：岳明凱(1971—)，男，碩士，教授，主要從事目標(biāo)探測(cè)與毀傷研究。

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-10-22

本文引用格式：岳明凱，邱浩，焦志剛.彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):20-22.

【裝備理論與裝備技術(shù)】