引信慣性機(jī)構(gòu)在炮管磨損下動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬仿真分析

辛思宇，邵偉平，張嘉易，趙 旭

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧省先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110159；3.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)引信研究院 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

在彈丸發(fā)射實(shí)驗(yàn)中相關(guān)引信多次出現(xiàn)早炸、瞎火等現(xiàn)象，地面人員對(duì)儀器艙彈載設(shè)備性能和致使彈丸早炸、瞎火等原因做不到精準(zhǔn)判斷。彈丸在外彈道環(huán)境下高速飛行過(guò)程中，利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩克服阻力矩實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。在外彈道環(huán)境下引信機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力分析是引信設(shè)計(jì)、研究、故障分析以及性能評(píng)價(jià)的重要依據(jù)和基礎(chǔ)。由于引信機(jī)構(gòu)是在短時(shí)間內(nèi)劇烈變化的彈道環(huán)境下工作，目前還沒(méi)有可以直接通過(guò)發(fā)射實(shí)驗(yàn)獲取引信機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的手段，只能通過(guò)模擬仿真來(lái)得到想要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?；谏鲜銮闆r，本文主要研究了彈丸分別在理想狀態(tài)和炮管磨損條件下引信慣性機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，以得到彈丸出現(xiàn)早炸、瞎火等現(xiàn)象的原因。

1 某口徑彈丸結(jié)構(gòu)及引信機(jī)構(gòu)組成

圖1為某口徑彈丸三維模型。該彈丸總質(zhì)量為13.5 kg，質(zhì)心位于距離彈丸頂部155 mm處，彈丸引信機(jī)構(gòu)位于距離彈丸底部249 mm處，引信機(jī)構(gòu)質(zhì)量為0.01 kg。引信機(jī)構(gòu)由襯套、襯套蓋、擲餌、活機(jī)體和小圓柱幾部分組成，其細(xì)節(jié)展開(kāi)圖如圖2所示。其中活機(jī)體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也決定了引信機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 某口徑彈丸三維模型

圖2 引信機(jī)構(gòu)組成

2 彈丸Fluent氣動(dòng)仿真

為了得到彈丸在不同馬赫數(shù)(1馬赫=340 m/s)下的阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩和俯仰力矩，進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈丸受到的空氣動(dòng)力及空氣動(dòng)力矩，需要將彈丸的三維模型在ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提供彈丸在全彈道分析中必要的解算條件。

彈丸的計(jì)算網(wǎng)格使用ANSYS Workbench Meshing生成，在外流場(chǎng)中的網(wǎng)格劃分如圖3所示，局部放大網(wǎng)格如圖4所示。由于彈丸是模擬在空氣中高速飛行并旋轉(zhuǎn)，故在彈丸周圍建立一個(gè)圓柱型壓力遠(yuǎn)場(chǎng)作為氣動(dòng)來(lái)流參考。在彈丸網(wǎng)格生成完成后，查看網(wǎng)格質(zhì)量，最小正交質(zhì)量為1.389 79×10-1，結(jié)果滿足解算精度要求。

圖3 彈丸在外流場(chǎng)中的網(wǎng)格劃分

圖4 彈丸局部放大網(wǎng)格

在Fluent中設(shè)置來(lái)流速度分別為0馬赫、0.5馬赫、1馬赫、1.5馬赫、2馬赫和2.5馬赫，攻角分別為0°、2°、4°、6°和8°的仿真條件，對(duì)彈丸模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，得到氣動(dòng)參數(shù)，其中來(lái)流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸氣動(dòng)參數(shù)如圖5～圖8所示。

圖5 來(lái)流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸阻力迭代曲線

圖6 來(lái)流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸升力迭代曲線

圖7 來(lái)流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸滾轉(zhuǎn)力矩迭代曲線

圖8 來(lái)流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸俯仰力矩迭代曲線

將不同攻角和馬赫數(shù)下彈丸壓力中心所受到的阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩等氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行擬合，為彈丸動(dòng)力學(xué)仿真分析提供依據(jù)。

3 仿真分析時(shí)彈丸模型飛行過(guò)程中力及力矩的加載

3.1 在理想條件下彈丸模型力及力矩的加載

根據(jù)彈丸理論彈道分析，設(shè)置彈丸初始條件為出膛速度850 m/s、轉(zhuǎn)速113 587 rad/s。

彈丸在空中飛行受到重力、空氣動(dòng)力和力矩的作用，必須將這些載荷施加在彈丸上才能真實(shí)地模擬彈丸在空氣中的受力情況。根據(jù)Fluent氣動(dòng)力仿真得到的不同來(lái)流馬赫數(shù)、不同攻角下彈丸阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩及俯仰力矩?cái)?shù)值，以馬赫數(shù)(Ma)為橫坐標(biāo)、攻角(°)為縱坐標(biāo)，利用Matlab擬合方程，將擬合方程作為函數(shù)加載到彈丸模型上。

將彈軸軸線方向定義為X軸，垂直于彈軸軸線的兩個(gè)方向分別定義為Y軸和Z軸；將壓力中心位置的力通過(guò)轉(zhuǎn)換分解為X軸的阻力、Y軸的升力、Z軸的馬格努斯力、滾轉(zhuǎn)力矩Mx、俯仰力矩My和偏航力矩Mz，并將這些力施加到彈丸上。ADAMS中彈丸坐標(biāo)及受力如圖9所示。

圖9 ADAMS中彈丸坐標(biāo)及受力

X軸阻力：作用在質(zhì)心，方向始終與彈丸軸線的運(yùn)動(dòng)方向相反，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

Y軸升力：作用在質(zhì)心，方向指向質(zhì)心的Y軸，與彈軸垂直，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

Z軸馬格努斯力：它其實(shí)是影響偏航的一個(gè)力，作用在質(zhì)心，方向指向質(zhì)心的Z軸，與彈軸垂直，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角相關(guān)。

滾轉(zhuǎn)力矩Mx：作用在質(zhì)心，方向與X軸阻力相同，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

俯仰力矩My：作用在質(zhì)心，方向與Z軸馬格努斯力相同，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

偏航力矩Mz：作用在質(zhì)心，方向與Y軸升力相同，大小與來(lái)流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

3.2 在炮管磨損條件下力及力矩的加載

仿真分析時(shí)，炮管無(wú)磨損情況下彈丸模型只需加載3.1節(jié)所提到的力及力矩進(jìn)行仿真即可，炮管磨損情況下還需要在彈丸出膛后的短時(shí)間內(nèi)在垂直于彈丸軸線的Y、Z兩方向施加如圖10～圖13所示的力及力矩，模擬彈丸在膛內(nèi)所受不均勻激勵(lì)的情況，力及力矩的數(shù)據(jù)根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)獲得。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 彈丸章動(dòng)情況

通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真得到的理想條件和炮管磨損條件下彈丸外彈道飛行章動(dòng)角-時(shí)間曲線如圖14、圖15所示。

由圖14、圖15可以看出，炮管磨損對(duì)彈丸產(chǎn)生的力及力矩對(duì)章動(dòng)角的大小產(chǎn)生了顯著的影響，其影響程度最明顯體現(xiàn)在彈丸剛出膛的一段時(shí)間內(nèi)。通過(guò)ADAMS PostProcessor的動(dòng)畫演示也可以看出，炮管磨損情況下彈丸在出膛瞬間存在明顯的章動(dòng)現(xiàn)象，但在氣動(dòng)力及力矩的修復(fù)作用下，慢慢使章動(dòng)量減小，逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，對(duì)其后面的飛行過(guò)程幾乎不存在影響。

圖10 Y軸方向磨損力fy-時(shí)間曲線 圖11 Z軸方向磨損力fz-時(shí)間曲線 圖12 Y軸方向磨損力矩Iy-時(shí)間曲線

圖13 Z軸方向磨損力矩Iz-時(shí)間曲線 圖14 理想條件下彈丸章動(dòng)角-時(shí)間曲線 圖15 炮管磨損條件下彈丸章動(dòng)角-時(shí)間曲線

4.2 引信運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

活機(jī)體運(yùn)動(dòng)情況直接影響引信機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所以本次實(shí)驗(yàn)選擇活機(jī)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，得到的理想條件下和炮管磨損條件下活機(jī)體相對(duì)位移-時(shí)間、相對(duì)速度-時(shí)間、相對(duì)加速度-時(shí)間曲線如圖16～圖18所示。

圖16 活機(jī)體相對(duì)位移-時(shí)間曲線 圖17 活機(jī)體相對(duì)速度-時(shí)間曲線 圖18 活機(jī)體相對(duì)加速度-時(shí)間曲線

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，理想條件和炮管磨損條件下，引信活機(jī)體機(jī)構(gòu)相對(duì)位移-時(shí)間曲線和相對(duì)速度-時(shí)間曲線兩者幾乎無(wú)差別，而相對(duì)加速度-時(shí)間曲線雖然峰值幾乎相同，但各自峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間有所不同，炮管磨損條件下峰值出現(xiàn)較早，理想條件下相應(yīng)靠后，這說(shuō)明在炮管磨損的情況下，由于外部力和力矩的作用，使得彈丸產(chǎn)生了較大的章動(dòng)量，直接影響到引信軸向相對(duì)加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間。根據(jù)活機(jī)體相對(duì)位移-時(shí)間曲線和相對(duì)速度-時(shí)間曲線相差不大的特性，可以得出炮管磨損對(duì)引信動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)影響，炮管磨損不是導(dǎo)致彈丸早炸、瞎火的結(jié)論。