基于箱式發(fā)射技術(shù)的定向器有限元分析*

王兆飛，楊金柱，崔 凱

（武警工程學(xué)院，西安 710086）

0 引言

儲運發(fā)射箱定向器是近年被廣泛采用的一種定向器，這種形式的定向器既可作為火箭發(fā)射時的定向器使用，又可作為火箭彈平時的儲存、運輸包裝箱使用，通常將這種儲運發(fā)射箱進行發(fā)射的方式稱作箱式發(fā)射。基于箱式發(fā)射技術(shù)的箱儲式防暴彈發(fā)射單元，與武警部隊現(xiàn)役的其他驅(qū)散類武器相比，可有效提高武警部隊處置各類突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力及火力機動性。由于箱式發(fā)射裝置的“打完就扔”的一次性使用特點，本著對作戰(zhàn)效能和經(jīng)濟效益的雙重考慮，就需要做好定向器的選材和結(jié)構(gòu)分析。

文中在對定向器進行建模和有限元分析的過程中，使用了三維構(gòu)造軟件Pro－Engineer以及有限元分析軟件ANSYS，對定向器的受力進行了仿真分析，確保定向器的剛強度符合設(shè)計要求，從而為定向器的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 發(fā)射裝置承受載荷分析

發(fā)射裝置在發(fā)射時，火箭彈從點火到離開發(fā)射裝置可分為閉鎖期、約束期和自由飛行期。點火后，火箭彈在發(fā)動機推力作用下作用于閉鎖機構(gòu)，沖破閉鎖力，便從閉鎖器進入約束期。約束期內(nèi)，因火箭彈受推力偏心及質(zhì)量分布不均衡等因素的影響，產(chǎn)生了火箭彈對發(fā)射裝置的動力載荷。在火箭彈飛離定向器瞬間，火箭發(fā)動機的燃氣流將對發(fā)射裝置產(chǎn)生一個較大的沖擊力。

1.1 發(fā)動機推力

火箭彈所受發(fā)動機的總推力[1]可表示為：

式中：qm為火箭燃料的質(zhì)量流速；uge為火箭彈噴射燃氣相對于彈體的噴射速度；Se為噴射管面積；pe為噴管出口端面燃氣壓力；pa為大氣壓力。推力由兩部分組成，第一部分為前項，稱為動推力，是由燃氣的動量變化產(chǎn)生的，通常占總推力的90%，第二部分為靜推力，是由于噴管出口端面氣壓力與外界大氣壓力不同造成的。

1.2 推力偏心及質(zhì)量分布不均衡引起的動力載荷[2]

火箭彈與定向器在全約束期時，火箭彈與定向器之間受力分析如圖1所示，其中O′為質(zhì)心，O′ξηζ為火箭彈體坐標(biāo)系，γ為火箭彈體自轉(zhuǎn)角。

按照動靜法原理，沿yH軸的力平衡方程及繞ZH軸的力矩平衡方程如下：

式中：F′d和M′d分別為推力偏心與質(zhì)量分布不均衡在鉛垂面內(nèi)引起的動載荷的作用反力和力矩。Rs為實際質(zhì)心相對于理想質(zhì)心的偏移。

假設(shè)推力F的作用線偏離質(zhì)心與ξ的交點為K，與火箭彈赤道面的交點為G，則O′G即為推力偏心L，則：

式中l(wèi)k為K點至O′的連線長。

由于發(fā)射單元主要用于面打擊，對防暴火箭彈的射擊精度及飛行穩(wěn)定性要求不高，因此，火箭彈在定向器內(nèi)無自轉(zhuǎn)運動，則式（2）中自傳參數(shù)γ＝0，將式（3）代入式（2）并進行簡化得：

圖1 全約束期受力分析

對于半約束期的情形，如圖2所示，將F′d和M′d向定向管的后定心部中點R簡化，此時考慮F′d和M′d可能出現(xiàn)的最大值，根據(jù)參考文獻[2]有：

式中，EL為和ERS分別為推力偏心投影的中間偏差和靜不平衡度投影的中間偏差。

圖2 半約束期受力分析

1.3 燃氣流對發(fā)射系統(tǒng)的沖擊力

火箭發(fā)動機的燃氣流作用在發(fā)射裝置上之后，將產(chǎn)生一個沖擊力，其燃氣流沖擊發(fā)射系統(tǒng)正面，產(chǎn)生動壓分布p（r，s），火箭彈作用于發(fā)射系統(tǒng)的沖擊力為：

式中：D表示發(fā)射火箭彈時發(fā)射裝置迎氣正面上動壓作用的有效面積；r表示軸對稱圓形氣流中的任一點到軸心的距離；s表示從火箭彈噴出口界面到發(fā)射裝置迎氣正面的距離。

2 模型建立及仿真分析

2.1 建立條件

發(fā)射非致命火箭彈對定向器的剛強度要求較低，考慮發(fā)射單元的輕量化及經(jīng)濟性要求，定向器的材料選擇為工程塑料，選擇高密度聚乙烯作為定向器材料，其彈性模量G＝0.6GPa，密度為0.95g／cm3，抗拉強度為30MPa，抗壓強度為21MPa，定向器許用應(yīng)力：

定向器長度為320mm，內(nèi)徑d＝45mm，壁厚為3mm。

2.2 有限元模型建立

有限元分析步驟如圖3所示。

在Pro－Engineer中建立定向器模型，利用Pro－Engineer和ANSYS之間的無縫連接，將模型導(dǎo)入到ANSYS中，定義定向器的單元類型為六面體單元solid brick 8node 45，輸入材料的性能參數(shù)，將定向器模型進行網(wǎng)格化，共劃分1500個單元格，如圖4所示。將定向器設(shè)為剛體，以更好的檢驗定向器的剛強度。

圖3 有限元分析步驟

2.3 計算結(jié)果及分

根據(jù)定向器受力曲線，選取定向器受力最大位置，對x、y和z三個方向同時加力進行靜力分析。按建立的坐標(biāo)系，分別對定向器80mm、120mm、200mm的位移變化和等效應(yīng)力進行分析，如圖5～圖10所示。

圖4 定向器網(wǎng)格化

圖5 定向器80mm的位移變化

圖6 定向器80mm的等效應(yīng)力

圖7 定向器120mm的位移變化

圖8 定向器120mm的等效應(yīng)力

圖9 定向器200mm的位移變化

圖10 定向器200mm的等效應(yīng)力

通過對定向器的位移變化及等效應(yīng)力對比分析可知，定向器的最大位移變化為0.973mm，受到的最大應(yīng)力為4.7MPa，所選的工程塑料符合強度設(shè)計要求。定向器中間的位移變化要比兩端的位移變化大，等效應(yīng)力則集中在定向器中間和兩端，在定向器120mm處的位移變化和等效應(yīng)力都較大。在進行定向器設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)著重考慮此位置的強度。

3 結(jié)論

通過對發(fā)射單元的定向器建模及有限元分析，可得出以下結(jié)論：

1）采用工程塑料作為定向器材料，符合發(fā)射單元發(fā)射非致命火箭彈的剛強度設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射單元對輕型化及經(jīng)濟性方面的要求。

2）在進行定向器設(shè)計時，可根據(jù)定向器有限元的分析結(jié)果，對定向器的形式、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟指標(biāo)等進行合理優(yōu)化，同時可減少定向器研發(fā)過程中的試驗次數(shù)和經(jīng)費開支。

[1]張柏生，李云娥.火炮與火箭內(nèi)彈道原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[2]李軍.火箭發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]姚昌仁，張波.火箭導(dǎo)彈發(fā)射裝置設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[4]張文志，韓清凱，劉亞忠，等.機械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[5]王國業(yè)，王國軍，胡仁喜.Pro／Engineer Wildfire 5.0中文版機械設(shè)計從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.