掠飞末敏弹膛内运动过程仿真研究*

刘　高,檀艳朝,刘荣忠,郭　锐,袁　军,赵博博

(1　南京理工大学机械工程学院,南京　210094;2　国营5103厂,河南南阳　473000)

掠飞末敏弹膛内运动过程仿真研究*

刘高1,檀艳朝2,刘荣忠1,郭锐1,袁军1,赵博博1

(1南京理工大学机械工程学院,南京210094;2国营5103厂,河南南阳473000)

摘要:基于Adams软件对掠飞末敏弹的膛内运动过程进行了动力学仿真分析。考虑掠飞末敏弹的结构非对称性,重点分析了质心位置、转动惯量等结构因素对掠飞末敏弹膛内运动正确性的影响。仿真结果分析表明:弹丸结构非对称时,弹丸与炮膛间接触次数和受力大小均明显增大;弹丸质心位置改变造成接触力增大,初始摆动角增大;转动惯量改变时,初始摆动角增大。

关键词:起始扰动;膛内运动;转动惯量;摆动角

0引言

掠飞末敏弹是一种掠飞攻击装甲目标顶部装甲的新型末敏弹。由于其战斗部掠飞攻顶的需要,掠飞末敏弹在结构设计上呈现非轴对称特点,容易使得弹丸在炮膛内运动过程中不稳定,起始扰动增大,进而对掠飞末敏弹的射击精度产生影响。

目前研究弹丸非轴对称性对膛内运动的影响多采用理论研究与仿真分析的方法。文献[1]通过建立坐标系,分析受力和力矩建立微分运动方程组,从理论上很好的分析了弹丸膛内运动情况;文献[3]和[4]通过Matlab软件分析弹丸结构参数对膛内运动的影响;文献[5]利用仿真软件模拟了弹丸膛内运动过程。掠飞末敏弹是一种新型坦克炮用灵巧弹药。由于其非轴对称的结构,使得膛内运动对掠飞末敏弹发射安全和飞行特性影响很大,因此必须对掠飞末敏弹的发射动力学特性进行理论和仿真分析研究。

文中运用Adams仿真软件,对弹丸膛内运动过程进行了动力学仿真,主要研究掠飞末敏弹质心位置和转动惯量对弹丸起始扰动的影响。通过多组数据对比,分析非轴对称弹丸质心位移对弹丸扰动的影响程度。

1掠飞末敏弹理论分析

1.1　掠飞末敏弹结构非对称特性

掠飞末敏弹是一种采用非直瞄方式攻击装甲目标的新型末敏弹。该型末敏弹发射后高速旋转低空掠飞,装配的敏感器对前侧方进行探测扫描,按照一定作用规则起爆MEFP战斗部,从装甲目标上方击毁目标。掠飞末敏弹装有横向放置MEFP战斗部、控制装置以及自身结构设计使其具有非轴对称特性。掠飞末敏弹在发射过程中受力和力矩影响远大于对称弹丸,同时非轴对称结构对弹体强度也提出更高要求。掠飞末敏弹简易外形如图1。

图1　125 mm掠飞末敏弹简易模型

1.2　掠飞末敏弹膛内运动方程

掠飞末敏弹在炮膛内运动,其受力情况很复杂。一般弹丸在不同模型和运动状态下,受到的力和力矩也有所不同。弹丸受到的主要力有重力、弹带(后定心部)与炮膛的接触力、发射药气体压力与弹头部压缩空气压力、前定心部与炮膛接触力等。由于弹丸设计的不同,受力情况也有所不同。

坦克自行火炮属于滑膛炮,在处理掠飞末敏弹受力和力矩方面与线膛炮相比较为简单。弹丸后定心部中心沿炮膛轴线运动(第一类模型)时,运动微分方程组[2]为:

ap+∂2X/∂t2=PbSb/(mφ3)

(1)

roc=lRΔI+Lm

（5）撰写技术指导原则有适用于各种抗菌药的下列描述，“在选择或调整抗菌药物治疗方案时，应进行细菌培养和药敏试验以分离并鉴定感染病原菌，确定其对该抗菌药物的敏感性。如果没有这些试验的数据做参考，则应根据当地细菌耐药性和抗菌药物敏感性等流行病学情况进行经验性治疗。在获得以上药敏结果之前可以先使用该抗菌药物进行治疗，获得药敏结果后再选择进行针对性的病原治疗。”中国说明书没有完整的这种描述，而英文说明书则有（见适应证和应用项目的应用部分）。

弹丸贴膛运动:

(2)

式中：m为弹丸质量,θ1为速度方位角在铅垂面内的分量,ap为O3点相对于惯性系的纵向加速度,X为火炮系x轴方向位移,Pb为弹底火药气体压强,由于弹头部压缩空气压强Pa远小于Pb而忽略,Sb为炮膛横截面积,φ3为次要功修正系数,AR为弹丸过后定心部横轴转动惯量,Φ为摆动角复数,lR为弹丸质心到后定心部中心距离,Lm为弹丸质心偏角,lb为弹丸前后定心部距离,Fsf为弹丸前定心部所受炮膛接触力,Y、Z为火炮系y、z轴方向分量,roc为弹丸质心相对于炮膛横向位移,ΔI为弹丸后定心部处炮膛身管切线与弹丸弹轴系ξ轴的夹角,e为弹炮间间隙。

2仿真建模

2.1　掠飞末敏弹膛内运动建模

弹丸的膛内运动是一个复杂的过程,涉及炮、弹和载体等多个方面。文中研究掠飞末敏弹质心情况对弹丸扰动的影响,对研究模型进行简化,只考虑弹丸与炮膛两个部分。在Adams软件建模部分只建立弹丸和炮管两个部分。

实体模型的建立主要是利用Pro/E软件,对身管和弹丸进行了精确的实体建模后导入Adams软件中。文中采用125 mm坦克炮射掠飞末敏弹,50倍口径炮管,建立模型如图2。

图2　Adams仿真模型

2.2　仿真参数设置

建模导入Adams后,首先对炮膛和弹丸进行参数设置。设置成功后系统自动计算刚体的质量、质心和转动惯量的参数。同样也可以根据自身要求编辑刚体参数,从而使建模仿真更接近实际情况。同样对重力、弹底压力、接触力等进行设置。

弹丸在炮膛内运动时与身管产生接触,文中采用冲击函数法,通过运算合理设置弹丸与炮膛间的刚度系数、碰撞指数、阻尼系数与切入深度。弹炮间的摩擦力,则采用库仑法进行设置。

3仿真结果及分析

3.1　弹丸质心位置对初始扰动影响仿真

为了研究弹丸质心位置对弹丸起始扰动的影响,对弹丸的质心位置进行编辑设置后进行仿真。

3.1.1　弹丸质心随弹轴方向移动

仿真分析从简单环境条件开始。采用0°平射模型。为了仿真分析方便,在参数设置时适当调整,使仿真数据差异增大。质心移动距离采用0.01d~1.5d递增变化的方式。掠飞末敏弹模型的质心沿弹轴移动时,弹丸为轴对称弹丸,弹丸膛内运动情况如图3~图4所示。

图3　弹丸初速随质心ξ轴坐标改变变化曲线

图4　弹丸摆动角随质心ξ轴坐标改变变化情况

3.1.2　弹丸质心横向移动

弹丸质心沿垂直于弹轴横向移动时,即在弹轴系η轴或ζ轴移动时,这时弹丸为非轴对称弹丸,对弹膛接触力影响大,同时考验着弹丸刚度强度。

为避免设置参数夸大对仿真造成影响,在时间开始0.01 s内弹丸没有加载弹底压强,分析弹丸在重力和炮膛接触力作用下,弹丸运动情况。弹丸膛内运动情况如图5~图10。

图5　弹丸质心随η轴移动时速度变化曲线

图6　弹丸Y方向接触力随质心η轴变化曲线

图7　弹丸初始摆角随质心η轴坐标变化情况

图8　弹丸初速随质心ζ轴移动变化曲线

图9　弹丸Z方向接触力随质心ζ轴变化曲线

图10　弹丸初始摆角随质心ζ轴变化情况

从图5和图8中看出,质心发生横向移动时,质心速度发生改变。质心速度变化情况与质心偏离弹轴横向位移方向和大小有关。质心速度随质心η轴负方向变化更大。从图6和图9看出,质心横向移动接触力明显增大。同样从图7和图10看出弹丸初始偏角改变,在1 mm范围内变化小,超过后变化明显。

3.1.3　炮膛8°射角时弹丸质心改变影响

炮膛射角为8°时,改变弹丸质心位置,弹丸膛内运动情况如图11~图13所示。

图11　弹丸初始摆动角随质心ζ轴改变情况

图12　弹丸初始摆动角随质心ξ轴改变情况

图13　弹丸初始摆动角随质心η轴改变情况

对比8°射角和0°射角下,质心位置改变对弹丸膛内运动的影响,可以看出弹丸速度、接触力和摆动角的变化趋势一致。

3.2　弹丸转动惯量对初始扰动影响仿真

由于弹丸在制造过程中,各组件的参数不同,外形相同的弹丸的转动惯量也不同,通过改变转动惯量的方法,可以简单分析转动惯量对弹丸造成的影响。

采用模型同上,炮膛射角为8°,为方便分析,转动惯量的改变采用百分比,由0.1%、0.5%、1%、2%、5%和10%等组成。考虑转动惯量之间的物理意义关系,故转动惯量的改变受到范围的限制。转动惯量改变时弹丸膛内运动情况如图14~图19所示。

图14　弹丸速度随极转动惯量改变的变化曲线

图15　弹丸初始摆动角随极转动惯量改变情况

从图14可以看出当极转动惯量变小时质心速度改变较小,当极转动惯量变大时质心速度变化明显。从图15看出极转动惯量改变对侧向摆动角影响不大,当变化达到+10%时高低摆动角变化明显。

图16　弹丸速度随转动惯量Iyy改变的变化曲线

图17　弹丸初始摆动角随转动惯量Iyy改变请况

从图16可以看出当转动惯量Iyy变化时质心速度出现变化。极转动惯量Iyy改变越大质心速度变化明显。从图17看出转动惯量Iyy改变对侧向摆动角影响不大,当Iyy增大时高低摆动角变化明显。

图18　弹丸速度随转动惯量Izz改变的变化曲线

图19　弹丸初始摆动角随转动惯量Izz改变情况

从图18可以看出当转动惯量Izz变化时质心速度变化不大。从图19看出转动惯量Izz改变对侧向摆动角影响不大,转动惯量Izz对高低摆动角有所影响。

4结论

为研究掠飞末敏弹非轴对称结构对起始扰动的影响,对弹丸膛内运动情况建立仿真模型。通过改变弹丸质心位置及转动惯量参数得到的仿真数据分析处理,研究弹丸质心位置及转动惯量对弹丸起始扰动影响情况。

1)当弹丸质心沿ξ轴改变时,弹丸仍为对称弹丸,弹丸初速随移动质心距离增大而降低,质心后移摆动角变化大。弹丸质心在η轴、ζ轴上移动时, 弹丸与炮膛间接触力明显增大,摆动角增大,弹丸初速影响明显。

2)当弹丸转动惯量改变时,弹丸初速造成影响。高低摆动角随转动惯量的变化而浮动。

由于掠飞末敏弹膛内运动的复杂性和影响因素的随机性,文中采用的仿真方法仅侧重于理论研究,为掠飞末敏弹的设计和刚度校核提供一定参考依据。

参考文献:

[1]芮筱亭, 刘怡昕, 于海龙. 坦克自行火炮发射动力学 [M]. 北京: 科学出版社, 2011.

[2]芮筱亭, 杨启仁. 弹丸发射过程理论 [M]. 南京: 东南大学出版社, 1992.

[3]岳永丰, 吴群彪, 沈培辉. 弹丸结构参数对膛内运动的影响分析 [J]. 兵工自动化, 2013, 32(3): 35-38.

[4]岳永丰, 沈培辉. 恢复系数对弹丸膛内运动参数的影响 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 32(6): 77-80.

[5]刘佳, 郭保全. 弹丸膛内运动姿态动力学仿真 [J]. 四川兵工学报, 2011, 32(9): 15-18.

[6]王儒策, 刘荣忠, 苏玳. 灵巧弹药的构造及作用 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 2001.

[7]黎春林, 翁佩英. 弹丸膛内运动分析 [J]. 弹道学报, 1994, 6(1): 45-52.

收稿日期:2014-05-30

基金项目:国家自然科学基金(11372136)资助

作者简介:刘高(1986-),男,河北冀州人,硕士研究生,研究方向:弹药灵巧化。

中图分类号:TJ012.1

文献标志码:A

Simulation Study of Motion Process in Bore of SFAR TSP

LIU Gao1,TAN Yanchao2,LIU Rongzhong1,GUO Rui1,YUAN Jun1,ZHAO Bobo1

(1School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;

2No.5103 Factory, Henan Nanyang 473000, China)

Abstract:Dynamics simulation analysis on movement process of swept flight assault roof (SFAR) terminal-sensitive projectile (TSP) in bore was made by Adams software. Considering structural asymmetry of SFAR TSP, analyzed the influence of structural factors including centroid location, moment of inertia, etc on the motion process of SFAR TSP in bore. Simulation results show that:when the structure of projectile is asymmetric, the number and force size of contact between bullet and bore increase significantly. Changing the projectile centroid position causes increase of the contact force and the initial swing angle. When the moment of inertia changes, initial swing angle increases, too.

Keywords:initial disturbance; motion in bore; moment of inertia; swing angle