帶串聯緩沖系統的發射箱空投仿真

陳馬旭，樂貴高

(南京理工大學 機械學院，江蘇 南京 210094)

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帶串聯緩沖系統的發射箱空投仿真

陳馬旭，樂貴高

(南京理工大學 機械學院，江蘇 南京 210094)

摘要：空投發射箱落地是碰撞問題，根據連續介質力學的質量、動量和能量守恒方程,給出碰撞體系的基本方程。該過程是短暫的，適合使用顯式非線性動態法進行仿真。儲運發射箱著陸時，地面會對發射箱產生瞬態的沖擊，從而造成加速度過大，因此對箱體采取緩沖防護是必要的。在發射箱底部加上由一片發泡聚乙烯和一塊蜂窩紙板串聯而成的緩沖系統，仿真結果表明，該系統可以有效降低火箭彈的加速度使得藥柱的應力值在安全范圍之內。

關鍵詞：發泡聚乙烯；蜂窩紙板；發射箱；空投；緩沖；顯式非線性動態法

0引言

多管火箭儲運發射箱能夠實現火箭彈的整體吊裝，縮短火箭裝填時間，實現火箭與導彈共架發射等[1]。火箭武器具有火力突然、密集、猛烈，快速反應性好，能很好地滿足現代戰爭對武器的要求[2]。空投火箭炮儲運發射箱為快速提供火力支持創造條件，十分有利于奪取戰爭的勝利。

空投發射箱著陸時，地面會對箱體產生短暫而強烈的沖擊，對發射箱進行緩沖保護是十分必要的。發泡聚乙烯承載范圍寬，吸收能量大[3]，是緩沖材料的理想選擇。蜂窩紙板最早用在軍事上，在第二次世界大戰時，用它作空投的工具，起緩沖作用[4]。蜂窩紙板的壓縮破壞主要與紙蜂窩芯的結構和蜂窩胞壁的屈曲有關[5]。在發射箱底部使用由發泡聚乙烯和蜂窩紙板串聯而成的緩沖系統，可以在著陸時對其進行緩沖防護。

1碰撞分析的基本方程

發射箱與地面的碰撞屬于非線性動態接觸變形問題。采用拉格朗日描述增量法,根據連續介質力學的質量、動量和能量守恒方程,碰撞體系的基本方程[6]可以分別寫成:

質量守恒方程：

ρ=IρD

2軟件仿真分析

2.1　建模過程

建立幾何模型：在發射箱箱架中，除了隔板以外的部件都使用殼單元。槽鋼、鋼管和角鋼在箱架中的分布見圖1。隔板使用實體單元建模，厚度是15mm。火箭彈、包覆層、包覆層前蓋、包覆層后蓋使用殼單元。導向管分成導向管管身和定位環兩個部件建模，導向管管身使用殼單元，定位環使用實體單元。不對藥柱星形內孔建模，整個藥柱是實心圓柱體。地面的尺寸是1.2m×12m×0.5m，使用殼單元。在箱體底部的上面板和發泡聚乙烯使用實體單元，上面板的厚度是10mm，聚乙烯的厚度是300mm。蜂窩紙板的整體厚度是100mm，蜂窩芯和面紙都使用殼單元。

1—角鋼166；2—槽鋼30；3—槽鋼163；4—鋼管93；5—槽鋼172；6—槽鋼70；7—槽鋼165；8—槽鋼164；9—鋼管95；10—拉板圖1　箱架中槽鋼、鋼管和角鋼分布圖

賦予材料屬性：包覆層、包覆層前蓋和包覆層后蓋的厚度是2mm。槽鋼30、槽鋼163和拉板的殼厚度是6.5mm。槽鋼70和角鋼166的厚度是5mm。槽鋼164、槽鋼165、槽鋼172和火箭彈的厚度都是4mm。鋼管93和鋼管95的厚度是2.5mm。蜂窩芯胞壁和蜂窩面紙厚度分別是0.18mm、0.9mm。隔板、槽鋼、拉板、角鋼、火箭彈和鋼管的材料是鋼。上面板的材料是鋁。導向管和定位環使用碳纖維復合材料。定位環材料定義時，不包括復合材料的強度極限。蜂窩面紙和蜂窩芯紙的彈性模量分別是7600MPa、570MPa，泊松比都是0.3。發泡聚乙烯彈性變形區段的彈性模量是3MPa，泊松比是0.01，使用ABAQUS里的泡沫彈性體模型Hyper foam，單向測試數據來自文獻[8]。部件的材料屬性見表1。復合材料的彈性模量、泊松比和剪切模量見表2。復合材料強度極限見表3。導向管管身分段見圖2，在導向管管身的前段材料定義時使用復合材料鋪層，總共10層，每一層的厚度都是0.3mm，鋪層角度是45°、-45°、0°、90°、45°、45°、-45°、0°、90°、45°。尾端和傾斜部分也使用復合材料鋪層。

圖2　導向管管身分段圖

表1　材料屬性表

表2　復合材料參數表

表3　復合材料強度極限表　MPa

裝配：在導向管裝配中，從里到外的順序依次是：藥柱、包覆層、火箭彈、導向管管身、定位環。隔板孔洞和定位環、定位環和導向管管身、導向管管身和火箭彈、火箭彈和包覆層、包覆層和藥柱兩兩之間都沒有間隙。箱底先裝好上面板，泡沫裝在上面板下方，由兩層蜂窩面紙和一層蜂窩芯紙組成的蜂窩紙板放在泡沫下面。帶緩沖系統的發射箱放在臨近地面的上方，箱底面與地面平行。整體裝配見圖3。

圖3　整體裝配圖

創建分析步：創建一個顯式動態的分析步，開啟幾何非線性參數Nlgeom，設定分析時間為0.2s。

創建相互作用關系：包覆層和包覆層前蓋、包覆層和包覆層后蓋、火箭彈和包覆層、定位環和導向管管身、定位環和隔板孔洞、箱體底部表面和上面板、上面板和泡沫、泡沫和第一層蜂窩面紙、第一層蜂窩面紙和芯紙上端邊沿、蜂窩芯紙下端邊沿和第二層面紙，還有箱架各接觸部件之間使用綁定約束。從導向管管后往前看，藥柱、火箭彈和導向管編號如圖4。編號為2、3、5、6、7、8、10、11、13、14、15、16、18、19的火箭彈使用剛體約束，在彈內質心處配重，使得編號從1到20的每個火箭彈整體質量相同。創建一個顯式通用接觸，其中接觸屬性使用默認值。

圖4　藥柱、火箭彈和導向管編號圖

創建載荷：地面的四周在初始分析步中使用固支邊界條件。除地面以外的所有部件施加6m/s的初始速度，方向垂直于地面向下。

劃分網格：整個裝配體有128862個單元，152835個節點。

2.2　仿真結果分析

如圖5所示，在10ms時，對所有導向管應力進行比較，發現20號導向管在管身上，與定位環接觸的部位有最大的應力6.62MPa。此時在20號導向管管身最前面部分，處在兩個定位環之間一段的應力較小。

圖5　10 ms時20號導向管應力圖

如圖6所示，11號火箭彈在79ms時，有最大的垂直加速度15.1g。它在111ms時，有垂直加速度大小是14.3g。它的加速度大小在163ms以后趨于穩定，在一個小的范圍內變化。加速度最大值小于30g，火箭彈是安全的。

圖6　11號火箭彈垂直加速度曲線

如圖7所示，1號藥柱尾端在56ms時，存在最大的Mises等效應力是60.7kPa，藥柱的峰值應力是安全的。

圖7　1號藥柱尾端應力曲線

3結語

在空投火箭發射箱時，在箱體底部加上由發泡聚乙烯和蜂窩紙板串聯而成的緩沖系統，可以有效減小火箭彈垂直加速度峰值，使得藥柱的應力是安全的。

對火箭彈的定心部、導向管的導槽和藥柱的星形內孔還可以具體建模，使得仿真結果更加準確。考慮導向管和火箭彈之間的彈管間隙進行空投，以后還可以進一步研究。為了獲得更好的緩沖效果，可以對發泡聚乙烯和蜂窩紙板的串聯系統進行結構優化。

參考文獻:

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[3] 邱莎莎，蔡建，張恒翔. 導彈緩沖包裝設計與選材[J]. 包裝工程，2011，32(9):44-46.

[4] 吳國榮. 我國蜂窩紙板發展概述[J]. 機電信息，2003，16:21-25.

[5] 王冬梅. 蜂窩紙板壓縮破壞機理研究[J]. 包裝工程，2006，27(1):37-39.

[6] 龔艷霞，沈曉紅，聶學俊. 基于ABAQUS的保險杠低速碰撞的仿真研究[J]. 北京工商大學學報，2009，27(3): 32-36.

[7] 徐文岷. 汽車碰撞過程的有限元數值模擬[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007:16.

[8] 李俊. 發泡聚乙烯緩沖性能的研究[D]. 杭州：浙江大學，2010:43-44.

Simulation of Airdropping Launch Box with Series-Wound Cushion System

CHEN Ma-xu，LE Gui-gao

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

Abstract:The impact matler exists in the launch box aixdrop. According to mass, momentum and energy conservation equation of continuum mechanics, the paper gives out the basic equations of collision system. The process is ephemeral, so it is suitable to use an explicit non-linear dynamic method to simulate the landing. When the launch canister hits the ground, the floor gives an instantaneous impact to the launch box. Due to the acceleration of the box, it is necessary to add a cushion to the launch box. A cushion system that consists of a piece of expanded polyethylene and a honeycomb fiberboard in series is added to the bottom of the box. The simulation result shows that the system can reduce the acceleration magnitude of the rocket effectively and make the stress value with in the range of the grain safety.

Keywords:expanded polyethylene; honeycomb fiberboard; launch box; airdrop; cushion; explicit non-linear dynamic method

中圖分類號：TJ393;TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0092-03

作者簡介：陳馬旭(1988- )，男，浙江金華人，碩士，主要研究方向：火箭導彈發射技術、結構建模與有限元分析。

基金項目：國防預研課題項目(404040504)