六边形开合机构动力学仿真与模态分析

湖南国防工业职业技术学院武器装备技术学院 罗加胜 万志恒 冯帆 谭庆 蔺相飞

引言

水下火箭弹是近海防御的一种速度高、杀伤力的新型预制武器[1-16]。某水下火箭炮挂载在巡航器的底部，在巡航状态下纤维编织的水密隔膜除了要承受海水压力，使发射管内火箭弹与海水隔离外，还需要承受航行过程中水流冲击，异物撞击。由于水密隔膜为纤维材料编织而成，其承受异物撞击的能力较弱，而且在续航过程中，平整的发射管端面承受水的阻力大，产生的扰流较大，尾迹明显，不利于巡航器的隐身，为此，本文在原有基础上，在发射管前端增加了一个分体式的刚性整流罩，一方面对发射管外形进行归整，另一方面使发射管抗异物撞击能力增强。

1 结构组成

水下火箭炮发射装置由发射管座、外筒、发射管、电机、减速器、传动轴、整流罩安装座、水密隔膜、十字联轴器和整流罩等组成。发射管座前后各有一个，与外筒焊接固定在一起。整流罩安装座通过螺钉与外筒固定连接。整流罩安装座是电机、减速器、传动轴和整流罩的安装平台。传动轴通过轴承铰接在整流罩安装座周边的12个安装孔内。传动轴通过花键结构插入整流罩的安装孔内。每两根相邻的初动轴通过十字联轴器相互连接。

每根传动轴是通过十字联轴器连接在一起的，均布的六块整流罩又与传动轴固定连接，因此工作时，电机通过减速器带动传动轴旋转，就能实现6块整流罩同时开合。发射前，整流罩处于闭合状态。火箭炮发射时，电机驱动整流罩张开，使火箭弹出筒时不会与整流罩发生碰撞，高压火药燃气冲破发射管尾端水密隔膜，前端的水密隔膜被高速出筒的弹体撕裂。发射完成后，电机驱动整流罩闭合，完成发射。

图1 水下火箭炮发射装置结构示意图

2 多刚体动力学仿真

使用三维建模软件构件水下火箭炮发射装置的三维零件模型，并进行装配。把水下火箭炮发射装置三维模型导入到多刚体动力学分析软件中。装置水平放置，并施加9.8m/s2的重力加速度。电机输出轴与减速器输入轴的连接采用固定副。对整流罩安装座和大地施加固定副。对相对转动的两个零件施加转动副关系。对齿轮组施加接触关系副，静摩擦系数0.1，动摩擦系数设定为0.05。所有零件材料设置为0Cr18Ni4V。

图2整流罩机构运动仿真模型

图3 展示了整流罩的展开过程，整个过程中，各机构阻滞，无干涉，运动平稳，六块整流罩运动同步性好，开合角度45°以上，较好地达到了既定设计目标。

图3 整流罩展开过程图

3 模态仿真与分析

把水下火箭炮发射装置三维模型导入到有限元分析软件中，使用C3D4单元，网格数量46183个，所有零件材料设置为0Cr18Ni4V,密度7.93吨/m3；弹性模量200GPa。发射装置与巡航器的固定连接部位在发射装置中部，因此对发射装置中部施加固定约束。

图4 各阶模态振形图

从仿真结果看1至10阶模态，水下火箭弹发射装置的固有频率均在120～289.2HZ之间，与巡航器工作振动频率相差较大，因此不会引起结构共振，结构安全。

表1 水下火箭炮发射装置各阶模态值

4 结语

本文提出了一种用于水下发射火箭炮的阻水方案，采用水密隔膜对发射筒内火箭弹进行隔水，使用分体式刚性整流罩对发射装置前端进行防护和整形减阻。并对方案进行了动作仿真和模态分析，获取了机构的主要研究参数，表明方案在原理上可行，为进一步研究打下了坚实的基础。