可控阻力系數的一維彈道修正機構設計*

趙雄飛,吳國東,徐永杰,陳 勇

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

可控阻力系數的一維彈道修正機構設計*

趙雄飛,吳國東,徐永杰,陳 勇

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

為了實現準確控制阻尼片面積達到準確控制彈道修正彈的阻力系數的目的,文中設計了一種新型可控的增加阻力式彈道修正機構。在用ADAMS軟件驗證機構的可實用性后,用Fluent對該榴彈進行了氣動特性仿真。并利用質點彈道方程程序估計了其修正量[3]。仿真結果表明這種阻力修正機構可以準確控制阻力系數,增阻效果明顯,修正量滿足需要。

可控阻尼片;一維彈道修正;氣動仿真

0 引言

彈道修正主要依靠修正機構,機構的展開時間以及修正阻力系數大小影響修正距離。目前常用的阻力修正結構主要有:槳型阻力器、“虹膜”型阻力器,D型環阻力器、三片花瓣式阻力器、柔性面料剛性支撐的傘狀阻力器。這些機構中有些可以控制阻尼片展開面積來控制彈道阻力系數,不過機構卻比較復雜,而且體積較大,很難在各種口徑不同的彈丸中實現。有些機構可以小型化,卻通過離心力來達到阻尼片展開的目的,不能真正控制其展開面積。因此需要對彈道修正阻力機構進行進一步的優化設計。

1 機構設計出發點和作用原理

文中設計的這種新型結構的初衷是通過一個構件的旋轉來控制阻尼片的展開,并且其構件旋轉過程輕松簡單,并不需要提供很大的驅動力,這就降低了驅動裝置的要求使其小型化。為了增加機構展開面積,機構設計上采用同層四片式結構,在不改變彈丸形狀下,大大節省空間,單獨的一片阻尼片形狀展開后面積呈中心對稱,4片阻尼片之間呈圓周陣列,這樣使其產生的修正力與彈體同軸,整個修正過程穩定性能高。機構的展開通過一個構件控制。當此構件旋轉時,阻尼片便隨之展開。當構件停止轉動時,阻尼片也停止展開。達到精確控制彈道阻力系數的目的。

圖1 阻力機構示意圖

阻力機構各部分組成如圖1所示,為同層四片式結構。該機構運動原理如圖2所示。圖2中,當轉機驅動轉針轉動時,滑槽2旋轉并帶動滑槽1旋轉,滑槽1和阻尼片通過銷連接。當滑槽1轉動時(阻尼片)圍繞定點旋轉,即阻尼片就可以隨之展開。該機構自由度F=1,轉針和阻尼片的運動關系呈正比關系,展開角度有限,可以瞬間展開所想要達到的面積。

圖2 機構運動簡圖

2 ADAMS運動學仿真分析

2.1 仿真前處理

為了檢驗機構展開的可靠性和運動特性,文中用ADAMS軟件對該機構進行了運動學仿真。

用Solidworks對機構建模后,文件保存為x_t格式并導入ADAMS中進行動力學仿真。初定義各部件材料為40Cr鋼,阻尼片和固定片1之間轉動副連接,滑槽1和滑槽2存在移動副,滑槽和固定片2之間又以轉動副連接。阻尼片和滑槽以及轉針和滑槽通過轉動副(銷)連接。定義兩接觸零件之間存在接觸摩擦。機構隨轉針的旋轉而展開,因此,仿真過程中只需給轉針一個旋轉角速度即可。2.2 仿真結果與后處理分析

該機構阻尼片由轉針轉動控制展開。從圖3和圖4仿真結果可以看出4個阻尼片展開過程完全同步,使得阻尼片展開后所受阻力合力與彈體同軸,不會導致因阻尼片展開受力不對稱而引起的不穩定。阻尼片完全展開時間僅需1.7 ms,可以做到立即展開。這表示在實際應用中,可以根據彈體和目標間的實際距離給轉針一個角度來達到所需的阻力系數。因為展開阻力面積可控,展開驅動很小,展開時間非常短,可以適用于任何口徑炮彈中。

3 氣動特性數值模擬

3.1 模型建立

如圖5所示,本次仿真是基于某105 mm中口徑榴彈,距離頭部62 mm處安裝阻力修正機構。機構展開后增加面積達到5 141 mm2,機構展開后與彈身直徑同等大小,即使阻力機構意外在膛內展開也能正常發射而不會卡膛,提高了安全性。

圖3 機構展開過程圖

圖4 阻尼片展開角速度曲線

參數參數值距頭部距離/mm62展開后外徑/mm53.5原面積/mm23846.5增加面積/mm25141

圖5 阻力機構安裝展開前后彈體外形

3.2 網格劃分

修正彈網格劃分如圖6所示,對該修正彈采用全模型,為非結構化四面體網格劃分。為了方便計算,劃分網格時在滿足網格質量的要求下盡量減小網格數量。劃分網格時使用Size function功能,并以一定的比率向外逐漸變疏,整個計算域網格數為1 055 372。整個計算域外側邊界條件為壓力遠場。計算域內側邊界為壁面。

圖6 計算域網格剖面圖

3.3 計算方法

文中仿真使用密度基求解器,彈體表面設置為WALL,為無滑移絕熱粘性固壁面[8];外層計算域外表面設置為壓力遠場。參考面積為彈體最大橫截面積[2]。3.4 計算結果及分析

文中計算了彈丸在0°攻角,不同馬赫數下,加裝阻力修正機構的氣動力參數。來流馬赫數分別為0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,增阻系數是機構展開后與機構展開前阻力系數之比。計算結果如圖7所示。

圖7 機構安裝前后Cd變化曲線圖

Ma展開后阻力系數展開前阻力系數增阻系數0.40.35130.1831.920.60.35030.1801.940.80.33450.1761.911.00.62310.3082.031.20.66900.4091.631.40.67900.4611.471.60.66720.4481.49

圖8 機構展開前1.2 Ma下X方向速度云圖

圖9 機構展開后1.2 Ma下X方向速度云圖

圖10 機構展開前1.2 Ma下彈體表面壓力云圖

圖11 機構展開后1.2 Ma下彈體表面壓力云圖

氣動力仿真計算結果如圖8～圖11所示,通過阻力機構安裝前后對比,了解阻力機構展開對彈丸X方向速度以及表面壓力的影響。通過氣動分析得出機構在亞音速和超音速下展開前后阻力系數變化以及彈體所受壓力變化值。由圖7可知,阻力系數在1.4達到最大值。通過表2可計算得知,增阻系數平均為1.77。

4 彈道修正計算

為了評估該機構不同阻力系數、不同展開時間下該機構的修正能力,利用彈道方程對該阻力機構的射程修正量進行了計算。其彈丸質點彈道模型[6]為

式中:F為彈丸受到的空氣阻力,F=ρv2SK/2,其中ρ為空氣密度,ν為彈丸飛行速度,S為彈丸最大橫截面積,K為彈丸空氣阻力系數[7];θ為彈道傾角。

以105 mm榴彈為修正對象,設定彈丸炮口初速V0=472 m/s,射角φ0=40°。

圖12 展開時間與射程修正量的關系

展開時刻/s修正距離/m展開時刻/s修正距離/m16282.4453040.91718224.3883226.82220177.2213416.06822138.589368.424106.724383.5072680.3730400.9462858.636Max0

文中以105 mm口徑榴彈為研究對象,從16 s開始計算該機構的修正距離。從圖12可知修正距離隨展開時間逐漸減小。修正距離范圍較大,修正時間充裕,可在實際應用中,選擇合適展開時間段,從而提高射擊精度。

5 結論

文中以中口徑榴彈為研究對象設計阻力機構,通過ADAMS動力學仿真,充分說明這種新型機構的可使用性。該機構是由驅動裝置控制轉針旋轉,從而控制阻尼片展開面積。該機械展開所需驅動力較小,驅動裝置要求低,可小型化,所以整體機構占用體積很小,屬于輕巧型可控機構。

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[4] 紀蓮清, 朱賢華. 機械原理 [M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2013: 103-113.

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本刊編輯部

Design of Controllable Drag Coefficient of One-dimensional Trajectory Correction Machine

ZHAO Xiongfei,WU Guodong,XU Yongjie,CHEN Yong

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to achieve the purpose of accurately controlling the damping plate area to achieve the accurate control of the resistance coefficient of the trajectory correction, a new mechanism which controls correct trajectory by increasing resistance was designed. After availability verification by ADAMS software, Fluent software was used to simulate aerodynamic characteristics of the grenade equipped with this machine. And the particle trajectory equation program was used to estimate its correction. The simulation results showed that the resistance correction mechanism could accurately control the drag coefficient, and the effect of increasing resistance was obvious and the correction met the needs.

controllable damping disk; one-dimensional trajectory correction; aerodynamic simulation

2015-11-05

國家自然科學基金(11572291)資助

趙雄飛(1991-),男,湖北咸寧人,碩士研究生,研究方向:兵器科學與技術。

TJ430

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