李鑫鵬， 郭朝勇

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系， 河北 石家莊 050003)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)炮彈的低附帶毀傷和低成本打擊等方面的要求越來越高，因此將傳統(tǒng)引信改進(jìn)為具有彈道修正功能的彈道修正引信，使其在不改變傳統(tǒng)炮彈(包括榴彈和迫彈)外形和發(fā)射裝置的基礎(chǔ)上提高傳統(tǒng)炮彈的打擊精度并節(jié)約成本，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。目前，在彈道修正引信上的彈道測量模塊、修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊以及電控制系統(tǒng)模塊等方面已取得了較多的研究成果，對(duì)國內(nèi)彈道修正引信的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[2-3]。出于發(fā)電、修正、通信和控制等方面的需求，通常需要將彈道修正引信上的某些部分設(shè)計(jì)成可獨(dú)立于彈體轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的組件，實(shí)現(xiàn)該功能的具體結(jié)構(gòu)及其相關(guān)部分稱為隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)。該平臺(tái)可保證高過載發(fā)射條件下內(nèi)彈道段上引信結(jié)構(gòu)的安全性，以及外彈道段上相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組件靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠性。

基于上述背景，筆者對(duì)彈道修正引信隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)利用顯式動(dòng)力學(xué)分析程序LS-DYNA對(duì)隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)在軸向載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，評(píng)估并驗(yàn)證隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性。

1 設(shè)計(jì)要求

以炮彈的全裝藥發(fā)射條件為背景，針對(duì)引信在發(fā)射和飛行過程中的工作環(huán)境，對(duì)隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)提出如下要求：

1)炮彈發(fā)射時(shí)，動(dòng)力來自于火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體[4]。在內(nèi)彈道段，高壓氣體作用在炮彈底部，使其加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的軸向加速度高達(dá)17 000g(g為重力加速度)，因此保證隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的軸向承載能力是整個(gè)設(shè)計(jì)的首要要求。

2)基于發(fā)電和彈道修正的功能要求，隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的相對(duì)轉(zhuǎn)速可達(dá)18 000 r/min，因此要保證相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組件靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠性。

3)受炮彈引信外形尺寸的限制，隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部搭載空間的大小與支撐體的強(qiáng)度相互矛盾，因此要綜合考慮二者的要求，合理確定搭載空間的尺寸。

2 方案設(shè)計(jì)

隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)通過螺紋結(jié)構(gòu)與彈道修正引信頭連接，如圖1所示。隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)主要包括隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)與彈道修正引信頭連接示意圖

2.1 隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由螺紋擋圈、滾動(dòng)軸承、舵機(jī)座和引信本體等組成，其采用雙滾動(dòng)軸承跨距布置的分布方式支撐引信本體和舵機(jī)座，實(shí)現(xiàn)以二者為主體的旋轉(zhuǎn)隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與舵機(jī)座連接的修正舵機(jī)和與引信本體連接的彈體之間的旋轉(zhuǎn)隔離，最終保證修正舵機(jī)獨(dú)立于彈體的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)要求。雙滾動(dòng)軸承跨距布置可通過增加2個(gè)軸承之間的軸向距離來有效提高該平臺(tái)的整體剛度。

1,4—螺紋擋圈；2,5—滾動(dòng)軸承；3—舵機(jī)座；6—預(yù)緊底螺；7—推力軸承；8—緩沖墊；9—引信本體。圖2 隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承的選用主要考慮恒定載荷與長時(shí)工作環(huán)境下軸承的疲勞磨損，與本文所述瞬時(shí)性、高過載和短壽命的應(yīng)用環(huán)境不相符。按照額定載荷來選擇，在尺寸要求范圍內(nèi)沒有能夠承受17 000g載荷的標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承，因此設(shè)計(jì)了緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)來削弱作用在滾動(dòng)軸承上的載荷，這樣便可依據(jù)極限轉(zhuǎn)速來選擇滾動(dòng)軸承。

在相同直徑系列的滾動(dòng)軸承中，深溝球軸承的極限轉(zhuǎn)速高，且可承受較大的徑向載荷和一定的軸向載荷[5]，因此本設(shè)計(jì)選用深溝球滾動(dòng)軸承。根據(jù)支撐空間要求以及其他尺寸要求，并參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T276—1994，選擇6809型和6904型2種軸承。

2.2 緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)

緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)由緩沖墊、推力軸承和預(yù)緊底螺組成，其中：緩沖墊起緩沖保護(hù)作用；推力軸承起軸向承載作用；預(yù)緊底螺用于對(duì)滾動(dòng)軸承的軸向預(yù)緊。緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理為：安裝時(shí)，先通過預(yù)緊底螺對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行軸向預(yù)緊，這樣載荷作用時(shí)可利用滾動(dòng)軸承的軸向游隙作為緩沖空間，使載荷作用到滾動(dòng)軸承滾珠之前先經(jīng)過緩沖墊的緩沖保護(hù)和推力軸承的承載保護(hù)，以此主動(dòng)地控制載荷的傳遞路徑，對(duì)滾動(dòng)軸承起到了隔載保護(hù)的作用。

2.2.1 推力軸承選用

推力軸承是承受軸向載荷的專用軸承，根據(jù)滾動(dòng)體的不同可分為推力球軸承、推力滾子軸承以及推力滾針軸承。與推力球軸承相比，推力滾針軸承的承載能力強(qiáng)，剛度較大，而軸向占用空間小。結(jié)合其具體尺寸要求，擬選用型號(hào)為TP1730的推力滾針軸承。

2.2.2 緩沖墊材料選擇

緩沖墊通過吸收一定的沖擊能量來減小作用在被緩沖部件上的載荷，使其免被破壞[6-7]。由于空間有限，緩沖墊只能控制在很小的體積范圍內(nèi)，因此在較小的空間內(nèi)吸收較多的能量是緩沖墊材料選擇的主要依據(jù)。

根據(jù)緩沖材料的吸能原理[8]，單位體積的緩沖材料吸收的沖擊能量e為

(1)

緩沖墊的形變能E計(jì)算公式為

E=Ahe，

(2)

式中：σ為作用在緩沖材料上的應(yīng)力；ε為作用在緩沖材料上的應(yīng)變；A為緩沖墊的截面積；h為緩沖墊的軸向厚度。

由式(2)可知：當(dāng)緩沖墊的外形尺寸確定后，相同載荷作用下得到的緩沖墊的應(yīng)力-應(yīng)變分布圖面積可用于衡量其緩沖能力。與其他結(jié)構(gòu)所采用的材料相比，緩沖墊的材料應(yīng)較軟，且在受到壓縮時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的形變，故本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇黃銅為緩沖墊的材料。

3 仿真建模

由于隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且本文只對(duì)其軸向載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況進(jìn)行研究，為更加直觀地了解內(nèi)部構(gòu)件的沖擊動(dòng)作情況，同時(shí)縮短仿真計(jì)算時(shí)間，將整體模型沿軸線對(duì)稱面切割，取其1/2進(jìn)行仿真分析。

3.1 仿真流程

1) 將建好的三維模型導(dǎo)入到LS-DYNA軟件[9]中；2) 在LS-DYNA環(huán)境中設(shè)置各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)類型和材料參數(shù)，并對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；3) 定義構(gòu)件之間的接觸類型、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的約束以及作用在構(gòu)件上的載荷等；4) 進(jìn)行輸出設(shè)置，生成k文件，并進(jìn)行仿真計(jì)算[10]。

3.2 配重模型

舵機(jī)、固定鴨翼以及電路板等與舵機(jī)座相連，其質(zhì)量直接影響作用在深溝球軸承上的慣性力。為便于仿真，在舵機(jī)座上連接一個(gè)質(zhì)量和分布等價(jià)的當(dāng)量圓柱配重塊，其計(jì)算公式為

m=πr2lρ，

(3)

式中：m為配重塊的質(zhì)量；r為配重塊的截面半徑；l為配重塊的軸向長度；ρ為配重塊的密度。

3.3 材料模型

在LS-DYNA中，用雙線性隨動(dòng)塑性材料模型定義鋁合金、黃銅和合金鋼，對(duì)應(yīng)材料模型為Bilinear Kinematic。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.4 網(wǎng)格模型

為了更加精準(zhǔn)地了解某點(diǎn)的應(yīng)力大小及其變化規(guī)律，需要將隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用在復(fù)雜應(yīng)力分布環(huán)境下計(jì)算精度更高的映射或掃掠的六面體網(wǎng)格劃分方法。考慮到部分構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)整體應(yīng)力、應(yīng)變的影響很小，可將其作簡化處理，簡化后的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)簡化網(wǎng)格模型

3.5 接觸約束定義

仿真中按照理想的接觸約束條件進(jìn)行設(shè)置，忽略了一些實(shí)際次要因素的影響。根據(jù)接觸構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況設(shè)置相應(yīng)的接觸類型，分別將有、無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸構(gòu)件之間設(shè)為光滑接觸和固連接觸。由于只仿真整體模型的1/2，因此需要在軸線切割面上設(shè)置約束，限制沿垂直于該面方向的位移為0。

3.6 載荷模型

根據(jù)炮彈在內(nèi)彈道的膛壓曲線，可獲得施加在引信體上的加速度曲線[11]，如圖4所示?？梢钥闯觯涸?.27 ms時(shí)加速度最大，為17 595g。

圖4 引信體加速度曲線

4 結(jié)果分析

利用LS-DYNA中的后處理軟件LS-PrePost對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，結(jié)果表明：在3.96 ms時(shí)，整體應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)達(dá)到最大值，與所加載荷的最大值出現(xiàn)時(shí)間相差0.31 ms；最大應(yīng)力和應(yīng)變都產(chǎn)生在單元#88 598處，其中最大應(yīng)力值為1 140 MPa，最大應(yīng)變值為4.511 4 μm。

此時(shí)隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)整體應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖如圖5所示?？梢钥闯觯和屏L針軸承7的滾針以及深溝球軸承5的滾珠上的應(yīng)力較大，推力滾針軸承7的滾針、深溝球軸承5的滾珠、滾轉(zhuǎn)體和緩沖墊等的應(yīng)變較大，但最大應(yīng)變值只有4.511 4 μm，對(duì)構(gòu)件的影響很小，可忽略不計(jì)。

圖5 隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

由于單元#88 598處的應(yīng)力最大，且位于推力滾針軸承的滾針上，因此以此單元為代表來評(píng)估推力滾針軸承的滾針承載能力，其應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖6(a)所示。同理，以構(gòu)件上的最大應(yīng)力單元為代表，對(duì)深溝球軸承5、2的滾珠承載能力進(jìn)行評(píng)估，相應(yīng)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線分別如圖6(b)、(c)所示。

圖6 應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

由圖6可以得出：

1)推力滾針軸承的滾針、深溝球軸承5的滾珠和深溝球軸承2的滾珠的最大應(yīng)力分別為1 139.95、898.91、75.867 MPa，三者均未超過軸承鋼GCr15的屈服極限1 617 MPa，滿足材料的屈服強(qiáng)度要求。

2)對(duì)比推力滾針軸承的滾針與深溝球軸承2的滾珠應(yīng)力值可知，前者承擔(dān)了主要的載荷，起到了隔離載荷和保護(hù)深溝球軸承2的作用，驗(yàn)證了緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)功能的有效性。

3)對(duì)比深溝球軸承5的滾珠與推力滾針軸承的滾針的應(yīng)力值可知，二者相差241.04 MPa，這說明軸承之間的緩沖墊起到了一定的緩沖作用，驗(yàn)證了緩沖墊結(jié)構(gòu)布置的可行性。

考慮到徑向載荷以及轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)軸承滾珠的影響，需要進(jìn)一步減小軸承滾珠的應(yīng)力，因此需要繼續(xù)提高緩沖墊的緩沖能力。

5 結(jié)論

筆者提出了彈道修正引信隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上建立了隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)三維模型和仿真模型，并通過對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。下一步，還需要研究不同緩沖材料以及滾動(dòng)軸承軸向預(yù)緊力對(duì)隔轉(zhuǎn)保護(hù)平臺(tái)抗沖擊能力的影響，驗(yàn)證徑向承載能力和過載沖擊之后的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)能力，以及模擬炮彈在發(fā)射和飛行中的各種過載條件，以保證彈道修正引信工程應(yīng)用的可靠性。

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