尾翼型EFP飛行特性仿真研究

楊品

摘要：本文運(yùn)用CFD仿真軟件，對(duì)尾翼型幾何對(duì)稱和非對(duì)稱EFP進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)仿真計(jì)算，并運(yùn)用6DOF模塊對(duì)EFP的飛行特性進(jìn)行模擬，研究結(jié)果對(duì)在EFP彈藥工程研制和應(yīng)用中有指導(dǎo)意義。

1 前言

爆炸成型彈丸EFP （Explosively Formed Projectile）是聚能裝藥的重要分支，其作用過(guò)程分為成型、飛行、侵徹三個(gè)階段，成型階段是實(shí)現(xiàn)金屬藥型罩在炸藥驅(qū)動(dòng)作用下形成EFP， 飛行階段是EFP在空中飛行的穩(wěn)定性和速度衰減過(guò)程，侵徹階段則是EFP對(duì)目標(biāo)的終點(diǎn)作用過(guò)程，獲得具有良好氣動(dòng)外形、穩(wěn)定飛行的高速EFP是EFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

隨著高性能服務(wù)器和CFD數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，已有專家學(xué)者對(duì)理想的桿式和準(zhǔn)球形EFP進(jìn)行了氣動(dòng)計(jì)算及彈道計(jì)算[1] ，分析了理想EFP外形參數(shù)對(duì)其穩(wěn)定性的影響。本文對(duì)由中心起爆和偏心起爆得到的尾翼型EFP，利用三維造型軟件進(jìn)行逆向建模，進(jìn)行適當(dāng)修補(bǔ)，得到真實(shí)形狀的EFP模型，并采用可壓縮流、重疊網(wǎng)格、6DOF運(yùn)動(dòng)模型模塊，對(duì)進(jìn)行了氣動(dòng)力和六自由度運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算，得到了兩者在不同攻角下的空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)和外彈道特性曲線，并且對(duì)仿真結(jié)果做了對(duì)比分析，得到了一些重要結(jié)論，為EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)選擇奠定了基礎(chǔ)。

2 幾何模型建立

采用仿真軟件對(duì)建立EFP裝藥結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行爆炸過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，通過(guò)后處理可將EFP彈丸以STL格式導(dǎo)出。STL文件是一種以三角面片存儲(chǔ)模型表面信息的離散數(shù)據(jù)格式，在三維造型軟件將其導(dǎo)入，并重新造型模塊進(jìn)行逆向建模，得到完整EFP的IGES格式模型，如圖1所示。

圖1為由中心起爆（模型A）和偏心起爆（模型B）得到的EFP幾何模型。從兩者的頭部看去，模型B的1部相比于模型A，外形上的不對(duì)稱性比較明顯。

3 仿真模型建立

由于EFP外形的不規(guī)則性，使得計(jì)算域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)采用分塊技術(shù)，整個(gè)計(jì)算域分為34個(gè)規(guī)則的子區(qū)單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格生成，而后各個(gè)子域相互對(duì)接構(gòu)成復(fù)雜的流動(dòng)區(qū)域。

其中邊界條件設(shè)置為遠(yuǎn)場(chǎng)，輸入EFP馬赫數(shù)、靜溫、靜壓以及k和 ;壁面條件采用無(wú)滑移絕熱固壁邊界，彈體周圍網(wǎng)格與背景網(wǎng)格的交界面采用重疊網(wǎng)格條件。對(duì)于動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，背景網(wǎng)格采用規(guī)定運(yùn)動(dòng)算法，彈體周圍嵌套網(wǎng)格，采用6DOF運(yùn)動(dòng)算法，且背景網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式依賴于嵌套網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 ?靜態(tài)計(jì)算結(jié)果

模型A和模型B的成型初速度均為2486m/s，質(zhì)量0.018kg，彈長(zhǎng)0.0242cm。 在攻角為0～10時(shí)進(jìn)行靜態(tài)仿真。

計(jì)算結(jié)果表明：模型A是穩(wěn)定的，靜穩(wěn)定度在17%左右，壓心位于質(zhì)心后面，而模型B在小攻角時(shí)壓心系數(shù)為負(fù)的，壓心在質(zhì)心前面，是不穩(wěn)定的;在大攻角下壓心雖然在質(zhì)心后面，但兩者很接近，靜穩(wěn)定度不到0.1，還是不穩(wěn)定的，這在后面的6DOF彈道仿真結(jié)果中可以看到。

4.2 動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用6DOF運(yùn)動(dòng)模塊，對(duì)模型A和模型B在攻角3時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)飛行仿真。當(dāng)EFP飛行65m時(shí)，速度隨位移的衰減如表1所示，模型B比模型A稍大些，且理論和仿真計(jì)算的結(jié)果幾乎相同。

由于模型A是靜穩(wěn)定的，所以其攻角在飛行過(guò)程中逐漸變小，模型B是不穩(wěn)定的，其攻角會(huì)逐漸增大;另外模型A提供的升力大于其自身重力，所以出現(xiàn)彈丸的上升趨勢(shì)，而模型B的升力小，彈道下沉較大。

5 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)EFP飛行穩(wěn)定性數(shù)值模擬的初步探討，可以得到如下結(jié)論：

1）可通過(guò)三維造型軟件對(duì)原始EFP模型進(jìn)行逆向?qū)嶓w建模，并且這個(gè)過(guò)程不會(huì)改變EFP的質(zhì)量特性，故可準(zhǔn)確進(jìn)行下一步的氣動(dòng)分析;

2）通過(guò)對(duì)由中心起爆得到的對(duì)稱EFP和由偏心起爆得到的非對(duì)稱EFP的氣動(dòng)仿真分析可知，外形上不對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致EFP飛行不穩(wěn)定，因此在進(jìn)行EFP戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意幾何結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布、起爆方式等的對(duì)稱性。

參考文獻(xiàn)

侯云輝，羅建等.EFP的優(yōu)化設(shè)計(jì)和飛行穩(wěn)定性研究[C] ].2009戰(zhàn)斗部與毀傷專業(yè)委員會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)交流會(huì)，宜昌：2009：361-368