可控阻力系数的一维弹道修正机构设计*

赵雄飞,吴国东,徐永杰,陈 勇

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

可控阻力系数的一维弹道修正机构设计*

赵雄飞,吴国东,徐永杰,陈 勇

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

为了实现准确控制阻尼片面积达到准确控制弹道修正弹的阻力系数的目的,文中设计了一种新型可控的增加阻力式弹道修正机构。在用ADAMS软件验证机构的可实用性后,用Fluent对该榴弹进行了气动特性仿真。并利用质点弹道方程程序估计了其修正量[3]。仿真结果表明这种阻力修正机构可以准确控制阻力系数,增阻效果明显,修正量满足需要。

可控阻尼片;一维弹道修正;气动仿真

0 引言

弹道修正主要依靠修正机构,机构的展开时间以及修正阻力系数大小影响修正距离。目前常用的阻力修正结构主要有:桨型阻力器、“虹膜”型阻力器,D型环阻力器、三片花瓣式阻力器、柔性面料刚性支撑的伞状阻力器。这些机构中有些可以控制阻尼片展开面积来控制弹道阻力系数,不过机构却比较复杂,而且体积较大,很难在各种口径不同的弹丸中实现。有些机构可以小型化,却通过离心力来达到阻尼片展开的目的,不能真正控制其展开面积。因此需要对弹道修正阻力机构进行进一步的优化设计。

1 机构设计出发点和作用原理

文中设计的这种新型结构的初衷是通过一个构件的旋转来控制阻尼片的展开,并且其构件旋转过程轻松简单,并不需要提供很大的驱动力,这就降低了驱动装置的要求使其小型化。为了增加机构展开面积,机构设计上采用同层四片式结构,在不改变弹丸形状下,大大节省空间,单独的一片阻尼片形状展开后面积呈中心对称,4片阻尼片之间呈圆周阵列,这样使其产生的修正力与弹体同轴,整个修正过程稳定性能高。机构的展开通过一个构件控制。当此构件旋转时,阻尼片便随之展开。当构件停止转动时,阻尼片也停止展开。达到精确控制弹道阻力系数的目的。

图1 阻力机构示意图

阻力机构各部分组成如图1所示,为同层四片式结构。该机构运动原理如图2所示。图2中,当转机驱动转针转动时,滑槽2旋转并带动滑槽1旋转,滑槽1和阻尼片通过销连接。当滑槽1转动时(阻尼片)围绕定点旋转,即阻尼片就可以随之展开。该机构自由度F=1,转针和阻尼片的运动关系呈正比关系,展开角度有限,可以瞬间展开所想要达到的面积。

图2 机构运动简图

2 ADAMS运动学仿真分析

2.1 仿真前处理

为了检验机构展开的可靠性和运动特性,文中用ADAMS软件对该机构进行了运动学仿真。

用Solidworks对机构建模后,文件保存为x_t格式并导入ADAMS中进行动力学仿真。初定义各部件材料为40Cr钢,阻尼片和固定片1之间转动副连接,滑槽1和滑槽2存在移动副,滑槽和固定片2之间又以转动副连接。阻尼片和滑槽以及转针和滑槽通过转动副(销)连接。定义两接触零件之间存在接触摩擦。机构随转针的旋转而展开,因此,仿真过程中只需给转针一个旋转角速度即可。2.2 仿真结果与后处理分析

该机构阻尼片由转针转动控制展开。从图3和图4仿真结果可以看出4个阻尼片展开过程完全同步,使得阻尼片展开后所受阻力合力与弹体同轴,不会导致因阻尼片展开受力不对称而引起的不稳定。阻尼片完全展开时间仅需1.7 ms,可以做到立即展开。这表示在实际应用中,可以根据弹体和目标间的实际距离给转针一个角度来达到所需的阻力系数。因为展开阻力面积可控,展开驱动很小,展开时间非常短,可以适用于任何口径炮弹中。

3 气动特性数值模拟

3.1 模型建立

如图5所示,本次仿真是基于某105 mm中口径榴弹,距离头部62 mm处安装阻力修正机构。机构展开后增加面积达到5 141 mm2,机构展开后与弹身直径同等大小,即使阻力机构意外在膛内展开也能正常发射而不会卡膛,提高了安全性。

图3 机构展开过程图

图4 阻尼片展开角速度曲线

参数参数值距头部距离/mm62展开后外径/mm53.5原面积/mm23846.5增加面积/mm25141

图5 阻力机构安装展开前后弹体外形

3.2 网格划分

修正弹网格划分如图6所示,对该修正弹采用全模型,为非结构化四面体网格划分。为了方便计算,划分网格时在满足网格质量的要求下尽量减小网格数量。划分网格时使用Size function功能,并以一定的比率向外逐渐变疏,整个计算域网格数为1 055 372。整个计算域外侧边界条件为压力远场。计算域内侧边界为壁面。

图6 计算域网格剖面图

3.3 计算方法

文中仿真使用密度基求解器,弹体表面设置为WALL,为无滑移绝热粘性固壁面[8];外层计算域外表面设置为压力远场。参考面积为弹体最大横截面积[2]。3.4 计算结果及分析

文中计算了弹丸在0°攻角,不同马赫数下,加装阻力修正机构的气动力参数。来流马赫数分别为0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,增阻系数是机构展开后与机构展开前阻力系数之比。计算结果如图7所示。

图7 机构安装前后Cd变化曲线图

Ma展开后阻力系数展开前阻力系数增阻系数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

图8 机构展开前1.2 Ma下X方向速度云图

图9 机构展开后1.2 Ma下X方向速度云图

图10 机构展开前1.2 Ma下弹体表面压力云图

图11 机构展开后1.2 Ma下弹体表面压力云图

气动力仿真计算结果如图8～图11所示,通过阻力机构安装前后对比,了解阻力机构展开对弹丸X方向速度以及表面压力的影响。通过气动分析得出机构在亚音速和超音速下展开前后阻力系数变化以及弹体所受压力变化值。由图7可知,阻力系数在1.4达到最大值。通过表2可计算得知,增阻系数平均为1.77。

4 弹道修正计算

为了评估该机构不同阻力系数、不同展开时间下该机构的修正能力,利用弹道方程对该阻力机构的射程修正量进行了计算。其弹丸质点弹道模型[6]为

式中:F为弹丸受到的空气阻力,F=ρv2SK/2,其中ρ为空气密度,ν为弹丸飞行速度,S为弹丸最大横截面积,K为弹丸空气阻力系数[7];θ为弹道倾角。

以105 mm榴弹为修正对象,设定弹丸炮口初速V0=472 m/s,射角φ0=40°。

图12 展开时间与射程修正量的关系

展开时刻/s修正距离/m展开时刻/s修正距离/m16282.4453040.91718224.3883226.82220177.2213416.06822138.589368.424106.724383.5072680.3730400.9462858.636Max0

文中以105 mm口径榴弹为研究对象,从16 s开始计算该机构的修正距离。从图12可知修正距离随展开时间逐渐减小。修正距离范围较大,修正时间充裕,可在实际应用中,选择合适展开时间段,从而提高射击精度。

5 结论

文中以中口径榴弹为研究对象设计阻力机构,通过ADAMS动力学仿真,充分说明这种新型机构的可使用性。该机构是由驱动装置控制转针旋转,从而控制阻尼片展开面积。该机械展开所需驱动力较小,驱动装置要求低,可小型化,所以整体机构占用体积很小,属于轻巧型可控机构。

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[6] 徐明友. 火箭外弹道学 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2004: 41-66.

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本刊编辑部

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

国家自然科学基金(11572291)资助

赵雄飞(1991-),男,湖北咸宁人,硕士研究生,研究方向:兵器科学与技术。

TJ430

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