掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程仿真研究*

劉　高,檀艷朝,劉榮忠,郭　銳,袁　軍,趙博博

(1　南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京　210094;2　國營5103廠,河南南陽　473000)

掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程仿真研究*

劉高1,檀艷朝2,劉榮忠1,郭銳1,袁軍1,趙博博1

(1南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京210094;2國營5103廠,河南南陽473000)

摘要:基于Adams軟件對掠飛末敏彈的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。考慮掠飛末敏彈的結(jié)構(gòu)非對稱性,重點(diǎn)分析了質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等結(jié)構(gòu)因素對掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)正確性的影響。仿真結(jié)果分析表明:彈丸結(jié)構(gòu)非對稱時(shí),彈丸與炮膛間接觸次數(shù)和受力大小均明顯增大;彈丸質(zhì)心位置改變造成接觸力增大,初始擺動(dòng)角增大;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變時(shí),初始擺動(dòng)角增大。

關(guān)鍵詞:起始擾動(dòng);膛內(nèi)運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;擺動(dòng)角

0引言

掠飛末敏彈是一種掠飛攻擊裝甲目標(biāo)頂部裝甲的新型末敏彈。由于其戰(zhàn)斗部掠飛攻頂?shù)男枰?掠飛末敏彈在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上呈現(xiàn)非軸對稱特點(diǎn),容易使得彈丸在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中不穩(wěn)定,起始擾動(dòng)增大,進(jìn)而對掠飛末敏彈的射擊精度產(chǎn)生影響。

目前研究彈丸非軸對稱性對膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響多采用理論研究與仿真分析的方法。文獻(xiàn)[1]通過建立坐標(biāo)系,分析受力和力矩建立微分運(yùn)動(dòng)方程組,從理論上很好的分析了彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況;文獻(xiàn)[3]和[4]通過Matlab軟件分析彈丸結(jié)構(gòu)參數(shù)對膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響;文獻(xiàn)[5]利用仿真軟件模擬了彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程。掠飛末敏彈是一種新型坦克炮用靈巧彈藥。由于其非軸對稱的結(jié)構(gòu),使得膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)對掠飛末敏彈發(fā)射安全和飛行特性影響很大,因此必須對掠飛末敏彈的發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行理論和仿真分析研究。

文中運(yùn)用Adams仿真軟件,對彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,主要研究掠飛末敏彈質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對彈丸起始擾動(dòng)的影響。通過多組數(shù)據(jù)對比,分析非軸對稱彈丸質(zhì)心位移對彈丸擾動(dòng)的影響程度。

1掠飛末敏彈理論分析

1.1　掠飛末敏彈結(jié)構(gòu)非對稱特性

掠飛末敏彈是一種采用非直瞄方式攻擊裝甲目標(biāo)的新型末敏彈。該型末敏彈發(fā)射后高速旋轉(zhuǎn)低空掠飛,裝配的敏感器對前側(cè)方進(jìn)行探測掃描,按照一定作用規(guī)則起爆MEFP戰(zhàn)斗部,從裝甲目標(biāo)上方擊毀目標(biāo)。掠飛末敏彈裝有橫向放置MEFP戰(zhàn)斗部、控制裝置以及自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有非軸對稱特性。掠飛末敏彈在發(fā)射過程中受力和力矩影響遠(yuǎn)大于對稱彈丸,同時(shí)非軸對稱結(jié)構(gòu)對彈體強(qiáng)度也提出更高要求。掠飛末敏彈簡易外形如圖1。

圖1　125 mm掠飛末敏彈簡易模型

1.2　掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)方程

掠飛末敏彈在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),其受力情況很復(fù)雜。一般彈丸在不同模型和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,受到的力和力矩也有所不同。彈丸受到的主要力有重力、彈帶(后定心部)與炮膛的接觸力、發(fā)射藥氣體壓力與彈頭部壓縮空氣壓力、前定心部與炮膛接觸力等。由于彈丸設(shè)計(jì)的不同,受力情況也有所不同。

坦克自行火炮屬于滑膛炮,在處理掠飛末敏彈受力和力矩方面與線膛炮相比較為簡單。彈丸后定心部中心沿炮膛軸線運(yùn)動(dòng)(第一類模型)時(shí),運(yùn)動(dòng)微分方程組[2]為:

ap+?2X/?t2=PbSb/(mφ3)

(1)

roc=lRΔI+Lm

（5）撰寫技術(shù)指導(dǎo)原則有適用于各種抗菌藥的下列描述，“在選擇或調(diào)整抗菌藥物治療方案時(shí)，應(yīng)進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)和藥敏試驗(yàn)以分離并鑒定感染病原菌，確定其對該抗菌藥物的敏感性。如果沒有這些試驗(yàn)的數(shù)據(jù)做參考，則應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丶?xì)菌耐藥性和抗菌藥物敏感性等流行病學(xué)情況進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性治療。在獲得以上藥敏結(jié)果之前可以先使用該抗菌藥物進(jìn)行治療，獲得藥敏結(jié)果后再選擇進(jìn)行針對性的病原治療。”中國說明書沒有完整的這種描述，而英文說明書則有（見適應(yīng)證和應(yīng)用項(xiàng)目的應(yīng)用部分）。

彈丸貼膛運(yùn)動(dòng):

(2)

式中：m為彈丸質(zhì)量,θ1為速度方位角在鉛垂面內(nèi)的分量,ap為O3點(diǎn)相對于慣性系的縱向加速度,X為火炮系x軸方向位移,Pb為彈底火藥氣體壓強(qiáng),由于彈頭部壓縮空氣壓強(qiáng)Pa遠(yuǎn)小于Pb而忽略,Sb為炮膛橫截面積,φ3為次要功修正系數(shù),AR為彈丸過后定心部橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Φ為擺動(dòng)角復(fù)數(shù),lR為彈丸質(zhì)心到后定心部中心距離,Lm為彈丸質(zhì)心偏角,lb為彈丸前后定心部距離,Fsf為彈丸前定心部所受炮膛接觸力,Y、Z為火炮系y、z軸方向分量,roc為彈丸質(zhì)心相對于炮膛橫向位移,ΔI為彈丸后定心部處炮膛身管切線與彈丸彈軸系ξ軸的夾角,e為彈炮間間隙。

2仿真建模

2.1　掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)建模

彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及炮、彈和載體等多個(gè)方面。文中研究掠飛末敏彈質(zhì)心情況對彈丸擾動(dòng)的影響,對研究模型進(jìn)行簡化,只考慮彈丸與炮膛兩個(gè)部分。在Adams軟件建模部分只建立彈丸和炮管兩個(gè)部分。

實(shí)體模型的建立主要是利用Pro/E軟件,對身管和彈丸進(jìn)行了精確的實(shí)體建模后導(dǎo)入Adams軟件中。文中采用125 mm坦克炮射掠飛末敏彈,50倍口徑炮管,建立模型如圖2。

圖2　Adams仿真模型

2.2　仿真參數(shù)設(shè)置

建模導(dǎo)入Adams后,首先對炮膛和彈丸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置成功后系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算剛體的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)。同樣也可以根據(jù)自身要求編輯剛體參數(shù),從而使建模仿真更接近實(shí)際情況。同樣對重力、彈底壓力、接觸力等進(jìn)行設(shè)置。

彈丸在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與身管產(chǎn)生接觸,文中采用沖擊函數(shù)法,通過運(yùn)算合理設(shè)置彈丸與炮膛間的剛度系數(shù)、碰撞指數(shù)、阻尼系數(shù)與切入深度。彈炮間的摩擦力,則采用庫侖法進(jìn)行設(shè)置。

3仿真結(jié)果及分析

3.1　彈丸質(zhì)心位置對初始擾動(dòng)影響仿真

為了研究彈丸質(zhì)心位置對彈丸起始擾動(dòng)的影響,對彈丸的質(zhì)心位置進(jìn)行編輯設(shè)置后進(jìn)行仿真。

3.1.1　彈丸質(zhì)心隨彈軸方向移動(dòng)

仿真分析從簡單環(huán)境條件開始。采用0°平射模型。為了仿真分析方便,在參數(shù)設(shè)置時(shí)適當(dāng)調(diào)整,使仿真數(shù)據(jù)差異增大。質(zhì)心移動(dòng)距離采用0.01d~1.5d遞增變化的方式。掠飛末敏彈模型的質(zhì)心沿彈軸移動(dòng)時(shí),彈丸為軸對稱彈丸,彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況如圖3~圖4所示。

圖3　彈丸初速隨質(zhì)心ξ軸坐標(biāo)改變變化曲線

圖4　彈丸擺動(dòng)角隨質(zhì)心ξ軸坐標(biāo)改變變化情況

3.1.2　彈丸質(zhì)心橫向移動(dòng)

彈丸質(zhì)心沿垂直于彈軸橫向移動(dòng)時(shí),即在彈軸系η軸或ζ軸移動(dòng)時(shí),這時(shí)彈丸為非軸對稱彈丸,對彈膛接觸力影響大,同時(shí)考驗(yàn)著彈丸剛度強(qiáng)度。

為避免設(shè)置參數(shù)夸大對仿真造成影響,在時(shí)間開始0.01 s內(nèi)彈丸沒有加載彈底壓強(qiáng),分析彈丸在重力和炮膛接觸力作用下,彈丸運(yùn)動(dòng)情況。彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況如圖5~圖10。

圖5　彈丸質(zhì)心隨η軸移動(dòng)時(shí)速度變化曲線

圖6　彈丸Y方向接觸力隨質(zhì)心η軸變化曲線

圖7　彈丸初始擺角隨質(zhì)心η軸坐標(biāo)變化情況

圖8　彈丸初速隨質(zhì)心ζ軸移動(dòng)變化曲線

圖9　彈丸Z方向接觸力隨質(zhì)心ζ軸變化曲線

圖10　彈丸初始擺角隨質(zhì)心ζ軸變化情況

從圖5和圖8中看出,質(zhì)心發(fā)生橫向移動(dòng)時(shí),質(zhì)心速度發(fā)生改變。質(zhì)心速度變化情況與質(zhì)心偏離彈軸橫向位移方向和大小有關(guān)。質(zhì)心速度隨質(zhì)心η軸負(fù)方向變化更大。從圖6和圖9看出,質(zhì)心橫向移動(dòng)接觸力明顯增大。同樣從圖7和圖10看出彈丸初始偏角改變,在1 mm范圍內(nèi)變化小,超過后變化明顯。

3.1.3　炮膛8°射角時(shí)彈丸質(zhì)心改變影響

炮膛射角為8°時(shí),改變彈丸質(zhì)心位置,彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況如圖11~圖13所示。

圖11　彈丸初始擺動(dòng)角隨質(zhì)心ζ軸改變情況

圖12　彈丸初始擺動(dòng)角隨質(zhì)心ξ軸改變情況

圖13　彈丸初始擺動(dòng)角隨質(zhì)心η軸改變情況

對比8°射角和0°射角下,質(zhì)心位置改變對彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響,可以看出彈丸速度、接觸力和擺動(dòng)角的變化趨勢一致。

3.2　彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對初始擾動(dòng)影響仿真

由于彈丸在制造過程中,各組件的參數(shù)不同,外形相同的彈丸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不同,通過改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法,可以簡單分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對彈丸造成的影響。

采用模型同上,炮膛射角為8°,為方便分析,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變采用百分比,由0.1%、0.5%、1%、2%、5%和10%等組成。考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的物理意義關(guān)系,故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變受到范圍的限制。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變時(shí)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況如圖14~圖19所示。

圖14　彈丸速度隨極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變的變化曲線

圖15　彈丸初始擺動(dòng)角隨極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變情況

從圖14可以看出當(dāng)極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小時(shí)質(zhì)心速度改變較小,當(dāng)極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大時(shí)質(zhì)心速度變化明顯。從圖15看出極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變對側(cè)向擺動(dòng)角影響不大,當(dāng)變化達(dá)到+10%時(shí)高低擺動(dòng)角變化明顯。

圖16　彈丸速度隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy改變的變化曲線

圖17　彈丸初始擺動(dòng)角隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy改變請況

從圖16可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy變化時(shí)質(zhì)心速度出現(xiàn)變化。極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy改變越大質(zhì)心速度變化明顯。從圖17看出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy改變對側(cè)向擺動(dòng)角影響不大,當(dāng)Iyy增大時(shí)高低擺動(dòng)角變化明顯。

圖18　彈丸速度隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz改變的變化曲線

圖19　彈丸初始擺動(dòng)角隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz改變情況

從圖18可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz變化時(shí)質(zhì)心速度變化不大。從圖19看出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz改變對側(cè)向擺動(dòng)角影響不大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz對高低擺動(dòng)角有所影響。

4結(jié)論

為研究掠飛末敏彈非軸對稱結(jié)構(gòu)對起始擾動(dòng)的影響,對彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況建立仿真模型。通過改變彈丸質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)得到的仿真數(shù)據(jù)分析處理,研究彈丸質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對彈丸起始擾動(dòng)影響情況。

1)當(dāng)彈丸質(zhì)心沿ξ軸改變時(shí),彈丸仍為對稱彈丸,彈丸初速隨移動(dòng)質(zhì)心距離增大而降低,質(zhì)心后移擺動(dòng)角變化大。彈丸質(zhì)心在η軸、ζ軸上移動(dòng)時(shí), 彈丸與炮膛間接觸力明顯增大,擺動(dòng)角增大,彈丸初速影響明顯。

2)當(dāng)彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變時(shí),彈丸初速造成影響。高低擺動(dòng)角隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化而浮動(dòng)。

由于掠飛末敏彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和影響因素的隨機(jī)性,文中采用的仿真方法僅側(cè)重于理論研究,為掠飛末敏彈的設(shè)計(jì)和剛度校核提供一定參考依據(jù)。

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收稿日期:2014-05-30

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(11372136)資助

作者簡介:劉高(1986-),男,河北冀州人,碩士研究生,研究方向:彈藥靈巧化。

中圖分類號:TJ012.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: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