趙雄飛,吳國東,徐永杰,陳 勇

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

可控阻力系數(shù)的一維彈道修正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

趙雄飛,吳國東,徐永杰,陳 勇

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制阻尼片面積達(dá)到準(zhǔn)確控制彈道修正彈的阻力系數(shù)的目的,文中設(shè)計(jì)了一種新型可控的增加阻力式彈道修正機(jī)構(gòu)。在用ADAMS軟件驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可實(shí)用性后,用Fluent對(duì)該榴彈進(jìn)行了氣動(dòng)特性仿真。并利用質(zhì)點(diǎn)彈道方程程序估計(jì)了其修正量[3]。仿真結(jié)果表明這種阻力修正機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確控制阻力系數(shù),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(dòng)仿真

0 引言

彈道修正主要依靠修正機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)的展開時(shí)間以及修正阻力系數(shù)大小影響修正距離。目前常用的阻力修正結(jié)構(gòu)主要有:槳型阻力器、“虹膜”型阻力器,D型環(huán)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(jī)構(gòu)中有些可以控制阻尼片展開面積來控制彈道阻力系數(shù),不過機(jī)構(gòu)卻比較復(fù)雜,而且體積較大,很難在各種口徑不同的彈丸中實(shí)現(xiàn)。有些機(jī)構(gòu)可以小型化,卻通過離心力來達(dá)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(duì)彈道修正阻力機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)和作用原理

文中設(shè)計(jì)的這種新型結(jié)構(gòu)的初衷是通過一個(gè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)來控制阻尼片的展開,并且其構(gòu)件旋轉(zhuǎn)過程輕松簡單,并不需要提供很大的驅(qū)動(dòng)力,這就降低了驅(qū)動(dòng)裝置的要求使其小型化。為了增加機(jī)構(gòu)展開面積,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用同層四片式結(jié)構(gòu),在不改變彈丸形狀下,大大節(jié)省空間,單獨(dú)的一片阻尼片形狀展開后面積呈中心對(duì)稱,4片阻尼片之間呈圓周陣列,這樣使其產(chǎn)生的修正力與彈體同軸,整個(gè)修正過程穩(wěn)定性能高。機(jī)構(gòu)的展開通過一個(gè)構(gòu)件控制。當(dāng)此構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí),阻尼片便隨之展開。當(dāng)構(gòu)件停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),阻尼片也停止展開。達(dá)到精確控制彈道阻力系數(shù)的目的。

圖1 阻力機(jī)構(gòu)示意圖

阻力機(jī)構(gòu)各部分組成如圖1所示,為同層四片式結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。圖2中,當(dāng)轉(zhuǎn)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滑槽2旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)滑槽1旋轉(zhuǎn),滑槽1和阻尼片通過銷連接。當(dāng)滑槽1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(阻尼片)圍繞定點(diǎn)旋轉(zhuǎn),即阻尼片就可以隨之展開。該機(jī)構(gòu)自由度F=1,轉(zhuǎn)針和阻尼片的運(yùn)動(dòng)關(guān)系呈正比關(guān)系,展開角度有限,可以瞬間展開所想要達(dá)到的面積。

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

2 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 仿真前處理

為了檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)展開的可靠性和運(yùn)動(dòng)特性,文中用ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

用Solidworks對(duì)機(jī)構(gòu)建模后,文件保存為x_t格式并導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。初定義各部件材料為40Cr鋼,阻尼片和固定片1之間轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,滑槽1和滑槽2存在移動(dòng)副,滑槽和固定片2之間又以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。阻尼片和滑槽以及轉(zhuǎn)針和滑槽通過轉(zhuǎn)動(dòng)副(銷)連接。定義兩接觸零件之間存在接觸摩擦。機(jī)構(gòu)隨轉(zhuǎn)針的旋轉(zhuǎn)而展開,因此,仿真過程中只需給轉(zhuǎn)針一個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度即可。2.2 仿真結(jié)果與后處理分析

該機(jī)構(gòu)阻尼片由轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制展開。從圖3和圖4仿真結(jié)果可以看出4個(gè)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(huì)導(dǎo)致因阻尼片展開受力不對(duì)稱而引起的不穩(wěn)定。阻尼片完全展開時(shí)間僅需1.7 ms,可以做到立即展開。這表示在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)彈體和目標(biāo)間的實(shí)際距離給轉(zhuǎn)針一個(gè)角度來達(dá)到所需的阻力系數(shù)。因?yàn)檎归_阻力面積可控,展開驅(qū)動(dòng)很小,展開時(shí)間非常短,可以適用于任何口徑炮彈中。

3 氣動(dòng)特性數(shù)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(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)展開后增加面積達(dá)到5 141 mm2,機(jī)構(gòu)展開后與彈身直徑同等大小,即使阻力機(jī)構(gòu)意外在膛內(nèi)展開也能正常發(fā)射而不會(huì)卡膛,提高了安全性。

圖3 機(jī)構(gòu)展開過程圖

圖4 阻尼片展開角速度曲線

參數(shù)參數(shù)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(jī)構(gòu)安裝展開前后彈體外形

3.2 網(wǎng)格劃分

修正彈網(wǎng)格劃分如圖6所示,對(duì)該修正彈采用全模型,為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分。為了方便計(jì)算,劃分網(wǎng)格時(shí)在滿足網(wǎng)格質(zhì)量的要求下盡量減小網(wǎng)格數(shù)量。劃分網(wǎng)格時(shí)使用Size function功能,并以一定的比率向外逐漸變疏,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為1 055 372。整個(gè)計(jì)算域外側(cè)邊界條件為壓力遠(yuǎn)場。計(jì)算域內(nèi)側(cè)邊界為壁面。

圖6 計(jì)算域網(wǎng)格剖面圖

3.3 計(jì)算方法

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

文中計(jì)算了彈丸在0°攻角,不同馬赫數(shù)下,加裝阻力修正機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)力參數(shù)。來流馬赫數(shù)分別為0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,增阻系數(shù)是機(jī)構(gòu)展開后與機(jī)構(gòu)展開前阻力系數(shù)之比。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)安裝前后Cd變化曲線圖

Ma展開后阻力系數(shù)展開前阻力系數(shù)增阻系數(shù)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(jī)構(gòu)展開前1.2 Ma下X方向速度云圖

圖9 機(jī)構(gòu)展開后1.2 Ma下X方向速度云圖

圖10 機(jī)構(gòu)展開前1.2 Ma下彈體表面壓力云圖

圖11 機(jī)構(gòu)展開后1.2 Ma下彈體表面壓力云圖

氣動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖8～圖11所示,通過阻力機(jī)構(gòu)安裝前后對(duì)比,了解阻力機(jī)構(gòu)展開對(duì)彈丸X方向速度以及表面壓力的影響。通過氣動(dòng)分析得出機(jī)構(gòu)在亞音速和超音速下展開前后阻力系數(shù)變化以及彈體所受壓力變化值。由圖7可知,阻力系數(shù)在1.4達(dá)到最大值。通過表2可計(jì)算得知,增阻系數(shù)平均為1.77。

4 彈道修正計(jì)算

為了評(píng)估該機(jī)構(gòu)不同阻力系數(shù)、不同展開時(shí)間下該機(jī)構(gòu)的修正能力,利用彈道方程對(duì)該阻力機(jī)構(gòu)的射程修正量進(jìn)行了計(jì)算。其彈丸質(zhì)點(diǎn)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(shù)[7];θ為彈道傾角。

以105 mm榴彈為修正對(duì)象,設(shè)定彈丸炮口初速V0=472 m/s,射角φ0=40°。

圖12 展開時(shí)間與射程修正量的關(guān)系

展開時(shí)刻/s修正距離/m展開時(shí)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(duì)象,從16 s開始計(jì)算該機(jī)構(gòu)的修正距離。從圖12可知修正距離隨展開時(shí)間逐漸減小。修正距離范圍較大,修正時(shí)間充裕,可在實(shí)際應(yīng)用中,選擇合適展開時(shí)間段,從而提高射擊精度。

5 結(jié)論

文中以中口徑榴彈為研究對(duì)象設(shè)計(jì)阻力機(jī)構(gòu),通過ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真,充分說明這種新型機(jī)構(gòu)的可使用性。該機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)裝置控制轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn),從而控制阻尼片展開面積。該機(jī)械展開所需驅(qū)動(dòng)力較小,驅(qū)動(dòng)裝置要求低,可小型化,所以整體機(jī)構(gòu)占用體積很小,屬于輕巧型可控機(jī)構(gòu)。

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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(xué)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(xué)與技術(shù)。

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