辛思宇，邵偉平，張嘉易，趙 旭

(1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) 遼寧省先進制造技術(shù)與裝備重點實驗室，遼寧 沈陽 110159；3.中國兵器工業(yè)集團引信研究院 機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引言

在彈丸發(fā)射實驗中相關(guān)引信多次出現(xiàn)早炸、瞎火等現(xiàn)象，地面人員對儀器艙彈載設(shè)備性能和致使彈丸早炸、瞎火等原因做不到精準判斷。彈丸在外彈道環(huán)境下高速飛行過程中，利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的進動力矩克服阻力矩實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。在外彈道環(huán)境下引信機構(gòu)的運動規(guī)律及受力分析是引信設(shè)計、研究、故障分析以及性能評價的重要依據(jù)和基礎(chǔ)。由于引信機構(gòu)是在短時間內(nèi)劇烈變化的彈道環(huán)境下工作，目前還沒有可以直接通過發(fā)射實驗獲取引信機構(gòu)運動規(guī)律的手段，只能通過模擬仿真來得到想要的實驗數(shù)據(jù)。基于上述情況，本文主要研究了彈丸分別在理想狀態(tài)和炮管磨損條件下引信慣性機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果，以得到彈丸出現(xiàn)早炸、瞎火等現(xiàn)象的原因。

1 某口徑彈丸結(jié)構(gòu)及引信機構(gòu)組成

圖1為某口徑彈丸三維模型。該彈丸總質(zhì)量為13.5 kg，質(zhì)心位于距離彈丸頂部155 mm處，彈丸引信機構(gòu)位于距離彈丸底部249 mm處，引信機構(gòu)質(zhì)量為0.01 kg。引信機構(gòu)由襯套、襯套蓋、擲餌、活機體和小圓柱幾部分組成，其細節(jié)展開圖如圖2所示。其中活機體的運動響應(yīng)也決定了引信機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 某口徑彈丸三維模型

圖2 引信機構(gòu)組成

2 彈丸Fluent氣動仿真

為了得到彈丸在不同馬赫數(shù)(1馬赫=340 m/s)下的阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩和俯仰力矩，進而得到運動過程中彈丸受到的空氣動力及空氣動力矩，需要將彈丸的三維模型在ANSYS中進行網(wǎng)格劃分，提供彈丸在全彈道分析中必要的解算條件。

彈丸的計算網(wǎng)格使用ANSYS Workbench Meshing生成，在外流場中的網(wǎng)格劃分如圖3所示，局部放大網(wǎng)格如圖4所示。由于彈丸是模擬在空氣中高速飛行并旋轉(zhuǎn)，故在彈丸周圍建立一個圓柱型壓力遠場作為氣動來流參考。在彈丸網(wǎng)格生成完成后，查看網(wǎng)格質(zhì)量，最小正交質(zhì)量為1.389 79×10-1，結(jié)果滿足解算精度要求。

圖3 彈丸在外流場中的網(wǎng)格劃分

圖4 彈丸局部放大網(wǎng)格

在Fluent中設(shè)置來流速度分別為0馬赫、0.5馬赫、1馬赫、1.5馬赫、2馬赫和2.5馬赫，攻角分別為0°、2°、4°、6°和8°的仿真條件，對彈丸模型進行數(shù)值模擬仿真，得到氣動參數(shù)，其中來流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸氣動參數(shù)如圖5～圖8所示。

圖5 來流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸阻力迭代曲線

圖6 來流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸升力迭代曲線

圖7 來流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸滾轉(zhuǎn)力矩迭代曲線

圖8 來流速度為0.5馬赫、攻角為2°下的彈丸俯仰力矩迭代曲線

將不同攻角和馬赫數(shù)下彈丸壓力中心所受到的阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩等氣動參數(shù)進行擬合，為彈丸動力學(xué)仿真分析提供依據(jù)。

3 仿真分析時彈丸模型飛行過程中力及力矩的加載

3.1 在理想條件下彈丸模型力及力矩的加載

根據(jù)彈丸理論彈道分析，設(shè)置彈丸初始條件為出膛速度850 m/s、轉(zhuǎn)速113 587 rad/s。

彈丸在空中飛行受到重力、空氣動力和力矩的作用，必須將這些載荷施加在彈丸上才能真實地模擬彈丸在空氣中的受力情況。根據(jù)Fluent氣動力仿真得到的不同來流馬赫數(shù)、不同攻角下彈丸阻力、升力、滾轉(zhuǎn)力矩及俯仰力矩數(shù)值，以馬赫數(shù)(Ma)為橫坐標、攻角(°)為縱坐標，利用Matlab擬合方程，將擬合方程作為函數(shù)加載到彈丸模型上。

將彈軸軸線方向定義為X軸，垂直于彈軸軸線的兩個方向分別定義為Y軸和Z軸；將壓力中心位置的力通過轉(zhuǎn)換分解為X軸的阻力、Y軸的升力、Z軸的馬格努斯力、滾轉(zhuǎn)力矩Mx、俯仰力矩My和偏航力矩Mz，并將這些力施加到彈丸上。ADAMS中彈丸坐標及受力如圖9所示。

圖9 ADAMS中彈丸坐標及受力

X軸阻力：作用在質(zhì)心，方向始終與彈丸軸線的運動方向相反，大小與來流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

Y軸升力：作用在質(zhì)心，方向指向質(zhì)心的Y軸，與彈軸垂直，大小與來流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

Z軸馬格努斯力：它其實是影響偏航的一個力，作用在質(zhì)心，方向指向質(zhì)心的Z軸，與彈軸垂直，大小與來流馬赫數(shù)、攻角相關(guān)。

滾轉(zhuǎn)力矩Mx：作用在質(zhì)心，方向與X軸阻力相同，大小與來流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

俯仰力矩My：作用在質(zhì)心，方向與Z軸馬格努斯力相同，大小與來流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

偏航力矩Mz：作用在質(zhì)心，方向與Y軸升力相同，大小與來流馬赫數(shù)、攻角密切相關(guān)。

3.2 在炮管磨損條件下力及力矩的加載

仿真分析時，炮管無磨損情況下彈丸模型只需加載3.1節(jié)所提到的力及力矩進行仿真即可，炮管磨損情況下還需要在彈丸出膛后的短時間內(nèi)在垂直于彈丸軸線的Y、Z兩方向施加如圖10～圖13所示的力及力矩，模擬彈丸在膛內(nèi)所受不均勻激勵的情況，力及力矩的數(shù)據(jù)根據(jù)以往實驗獲得。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 彈丸章動情況

通過ADAMS動力學(xué)仿真得到的理想條件和炮管磨損條件下彈丸外彈道飛行章動角-時間曲線如圖14、圖15所示。

由圖14、圖15可以看出，炮管磨損對彈丸產(chǎn)生的力及力矩對章動角的大小產(chǎn)生了顯著的影響，其影響程度最明顯體現(xiàn)在彈丸剛出膛的一段時間內(nèi)。通過ADAMS PostProcessor的動畫演示也可以看出，炮管磨損情況下彈丸在出膛瞬間存在明顯的章動現(xiàn)象，但在氣動力及力矩的修復(fù)作用下，慢慢使章動量減小，逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，對其后面的飛行過程幾乎不存在影響。

圖10 Y軸方向磨損力fy-時間曲線 圖11 Z軸方向磨損力fz-時間曲線 圖12 Y軸方向磨損力矩Iy-時間曲線

圖13 Z軸方向磨損力矩Iz-時間曲線 圖14 理想條件下彈丸章動角-時間曲線 圖15 炮管磨損條件下彈丸章動角-時間曲線

4.2 引信運動響應(yīng)

活機體運動情況直接影響引信機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，所以本次實驗選擇活機體的運動規(guī)律進行分析，得到的理想條件下和炮管磨損條件下活機體相對位移-時間、相對速度-時間、相對加速度-時間曲線如圖16～圖18所示。

圖16 活機體相對位移-時間曲線 圖17 活機體相對速度-時間曲線 圖18 活機體相對加速度-時間曲線

5 結(jié)論

通過以上分析可知，理想條件和炮管磨損條件下，引信活機體機構(gòu)相對位移-時間曲線和相對速度-時間曲線兩者幾乎無差別，而相對加速度-時間曲線雖然峰值幾乎相同，但各自峰值對應(yīng)的時間有所不同，炮管磨損條件下峰值出現(xiàn)較早，理想條件下相應(yīng)靠后，這說明在炮管磨損的情況下，由于外部力和力矩的作用，使得彈丸產(chǎn)生了較大的章動量，直接影響到引信軸向相對加速度峰值出現(xiàn)的時間。根據(jù)活機體相對位移-時間曲線和相對速度-時間曲線相差不大的特性，可以得出炮管磨損對引信動態(tài)響應(yīng)無影響，炮管磨損不是導(dǎo)致彈丸早炸、瞎火的結(jié)論。