基于3D打印的輕型導(dǎo)彈適配器

王飛

摘 要： 針對(duì)導(dǎo)彈適配器研制生產(chǎn)周期長(zhǎng)，傳統(tǒng)材料生產(chǎn)的適配器重量重，發(fā)射后容易與導(dǎo)彈發(fā)射干涉，進(jìn)而影響導(dǎo)彈正常飛行等問題，提出采用3D打印快速成型制造輕型導(dǎo)彈適配器方法，應(yīng)用于導(dǎo)彈適配器的研制生產(chǎn)。遵循適配器設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，進(jìn)行導(dǎo)彈適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行輕量化評(píng)估。搭建彈-適配器-發(fā)射筒結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ停?duì)發(fā)射筒進(jìn)行柔性處理，建立適配器發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型。模型校核后進(jìn)行相應(yīng)工況的數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明，適配器出筒流暢，與導(dǎo)彈可靠分離。

關(guān)鍵詞： 3D打?。贿m配器；發(fā)射動(dòng)力學(xué)

1引言

采用適配器支撐導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)是重要的導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。導(dǎo)彈發(fā)射前，為支撐導(dǎo)彈發(fā)射筒筒體同軸，在導(dǎo)彈與發(fā)射筒之間設(shè)置適配器。適配器與導(dǎo)彈出筒后，會(huì)受到筒內(nèi)流場(chǎng)的尾流、筒外大氣的空氣動(dòng)力效應(yīng)、導(dǎo)彈點(diǎn)火燃?xì)馍淞餍?yīng)等影響形成復(fù)雜的、不確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，將嚴(yán)重影響導(dǎo)彈飛行[1]，為防止發(fā)射過程中適配器與導(dǎo)彈發(fā)生干涉，適配器應(yīng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3D打印技術(shù)具有成型速度快、材料利用率高以及生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天制造產(chǎn)業(yè)，縮短科研階段導(dǎo)彈適配器研制周期，最大限度體現(xiàn)數(shù)字化研制生產(chǎn)先進(jìn)性，本文基于3D打印技術(shù)進(jìn)行適配器輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)輕型適配器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算仿真分析，以驗(yàn)證其分離特性是否是否滿足要求。

2適配器設(shè)計(jì)

輕型導(dǎo)彈適配器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

a）支撐導(dǎo)彈艙體圓柱段，使導(dǎo)彈與發(fā)射筒筒體同軸；

b）保證發(fā)射全程導(dǎo)彈適配器在發(fā)射筒內(nèi)無卡滯；

c）發(fā)射出筒后導(dǎo)彈適配器應(yīng)與導(dǎo)彈可靠分離。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行導(dǎo)彈適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程如下：

為滿足發(fā)射后與導(dǎo)彈可靠分離，適配器在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。適配器采用中間鏤空設(shè)計(jì)，兩端對(duì)稱受力的結(jié)構(gòu)型式，主要結(jié)構(gòu)厚度為1.5mm；適配器內(nèi)弧面支撐彈體，半徑為100mm；適配器外弧面支撐筒體，為使適配器出筒順暢，半徑比筒體略微減小，半徑為200mm；為增大迎風(fēng)面積，便于發(fā)射后與導(dǎo)彈分離，將適配器前端作倒角處理，切削角度為45°。適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

2.2材料選擇

為保證適配器順利出筒并可靠分離，適配器與發(fā)射筒和導(dǎo)彈接觸部位應(yīng)盡量光潔，從光滑度、密度以及3D打印材料配置等方面出發(fā)，選擇尼龍作為適配器的制造材料?？紤]到尼龍材質(zhì)制造的適配器的剛性遠(yuǎn)小于導(dǎo)彈與發(fā)射筒的材料特性，若發(fā)生意外卡滯時(shí)，適配器會(huì)優(yōu)先變形，讓開卡滯區(qū)域；

經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，適配器整體質(zhì)量為81g，遠(yuǎn)小于采用鋁合金制造的適配器重量（約為1kg）。

3發(fā)射動(dòng)力學(xué)分析

導(dǎo)彈采用傾斜無軌筒式熱發(fā)射。導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射筒通過導(dǎo)彈彈上凸起與適配器配合，適配器內(nèi)弧面和外弧面分別與導(dǎo)彈和發(fā)射筒配合。適配器采用上下對(duì)稱布置的搭配方式支撐導(dǎo)彈彈體以避免導(dǎo)彈與發(fā)射筒筒體的干涉。為驗(yàn)證適配器分離特性，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

3.1模型建立與分析

導(dǎo)彈發(fā)射全程僅通過適配器與發(fā)射筒配合，如圖2建立筒彈配合各元素拓?fù)潢P(guān)系。

為提高數(shù)值仿真可靠度，考慮導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射過程中的柔性變形，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，各階模態(tài)如圖3。

3.2仿真參數(shù)設(shè)置

筒彈各部件質(zhì)心局部坐標(biāo)定義為：x向逆射向?yàn)檎?，y向垂直彈體外表面切面指向彈體為正，z向按右手定則確定。筒彈各部件慣性參數(shù)如表1。

本文基于成熟商業(yè)軟件ADAMS進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力學(xué)分析，適配器與導(dǎo)彈及發(fā)射筒均考慮接觸特性，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

根據(jù)模擬的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力數(shù)據(jù)作為仿真載荷輸入，如圖4所示。

3.3仿真結(jié)果分析

數(shù)值仿真工況為導(dǎo)彈高低射角35°，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，適配器離筒狀態(tài)如圖5所示。

可以看出，適配器沿筒體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)良好，適配器受力狀態(tài)正常，適配器出筒速度為17.48m/s。

導(dǎo)彈適配器離筒后沿導(dǎo)彈舵面滑離導(dǎo)彈，下適配器離筒后質(zhì)心距彈體軸線最大位移量為250mm，上適配器最大位移量為167mm，見圖6。

導(dǎo)彈在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后142ms離筒，同時(shí)導(dǎo)彈穩(wěn)定尾翼開始展開，適配器離筒后沿舵面滑離導(dǎo)彈，并于169ms運(yùn)動(dòng)至尾翼處。根據(jù)導(dǎo)彈尾翼展開特性可知，適配器運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)彈尾翼處時(shí)導(dǎo)彈尾翼已經(jīng)完全展開。導(dǎo)彈尾翼展開即可認(rèn)為導(dǎo)彈成功出筒，并且與適配器分離成功。

4結(jié)論

本文基于3D打印技術(shù)對(duì)導(dǎo)彈適配器進(jìn)行數(shù)字化輕量化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對(duì)輕型適配器發(fā)射過程中的分離特性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，數(shù)值仿真分析結(jié)果表明，適配器出筒過程順利，出筒后與導(dǎo)彈迅速分離。

根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，3D打印適配器僅需一周即可完成一輪產(chǎn)品的研制，可有效提高研制效率，縮短研制周期，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。3D打印適配器設(shè)計(jì)方案滿足適配器設(shè)計(jì)原則，輕量化適配器設(shè)計(jì)方案可行。本文動(dòng)力學(xué)建模過程中未考慮加工精度、導(dǎo)彈燃?xì)饬?、流?chǎng)、發(fā)射陣地風(fēng)力等因素的影響，對(duì)適配器分離特性分析具有一定的局限性?！?/p>

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