彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真

岳明凱，邱　浩，焦志剛

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽　110159)

?

彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真

岳明凱，邱浩，焦志剛

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽110159)

摘要：針對慣性觸發(fā)引信設計過程中引信零件爬行力計算問題，分析了引信及彈丸在外彈道飛行時的受力情況，運用計算流體力學軟件(FLUENT)對彈丸空氣動力進行了仿真分析，得到了彈丸在外彈道飛行的阻力和翻轉力矩。再由虛擬樣機軟件(ADAMS)對彈丸整個飛行過程進行模擬計算，得到彈丸在整個外彈道的穩(wěn)定性情況、飛行軌跡和引信活擊體受到的爬行力。所得結果和分析對彈丸外彈道分析及引信慣性觸發(fā)機構的設計和研究具有一定參考意義。

關鍵詞：引信；外彈道；活擊體；爬行力

Citation format:YUE Ming-kai, QIU Hao, JIAO Zhi-gang.Numerical Simulation of Projectile Exterior Ballistic and Creep Force of Fuze Active Inertia Body[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):20-22.

爬行力是彈丸外彈道飛行過程中引信零件受到的重要環(huán)境力，它可作為引信解除保險的環(huán)境力，也可作為反恢復機構的原動力[1-3]。爬行力有可能引起已解除保險的活擊體誤動作，需要采用保險零件予以克服。因此在慣性觸發(fā)引信設計過程中，對活擊體爬行力進行計算是十分必要的。隨著計算機仿真技術的快速發(fā)展，運用計算流體力學軟件FLUENT仿真可得到彈丸外彈道飛行的氣動參數(shù)[4-7]。依據(jù)仿真得到的彈丸氣動參數(shù)，通過虛擬樣機軟件ADAMS對彈體及引信零件外彈道飛行進行數(shù)值模擬，可以獲取彈丸的外彈道飛行姿態(tài)、飛行軌跡，同時得到引信活擊體爬行力。

1受力分析及外流場仿真

1.1彈丸受力分析

彈體飛行過后效期后，不再承受火藥氣體壓力，不再做加速運動。相反，彈體在空氣等非目標介質中做減速運動，引信零件受到與載體減速度方向相反的軸向慣性力，一般用FP表示[8]。表達式為

FP=mJ

(1)

式(1)中：m為引信零件的質量；J為彈體的減速度。

旋轉穩(wěn)定彈在空氣中運動時，J表示的空氣阻力加速度，一般表達式為

(2)

式(2)中：Cd為彈道系數(shù)；π(y)為氣壓函數(shù)；F(vτ)為空氣阻力函數(shù)。如圖1所示為彈底引信零件受到的爬行力FP和彈丸受到的阻力R。

圖1　爬行力及阻力簡圖

彈丸在空中飛行時，當彈軸與速度矢量不重合時，空氣對彈丸作用力的合力R不再與彈軸ξ及速度矢量v共線反向，R的作用點即壓力中心對旋轉彈在彈頂和質心O′之間。R的指向不與ξ和v平行，而是以速度矢量v為準向彈頂一方偏離，如圖2所示。這一方面使R在沿速度矢量v的方向及垂直于v的方向分別產(chǎn)生了分量，即切向阻力Rx和升力Ry，另一方面R對質心產(chǎn)生了力矩Mz。除此之外，由于彈丸繞彈軸和繞赤道軸的轉動等原因，又產(chǎn)生了極阻彈尼力矩Mxz、赤道阻尼力矩Mzz、馬格努斯力Rz和馬格努斯力矩My等空氣動力和力矩[9]。

圖2　有攻角時彈丸空中飛行受力簡圖

1.2彈丸外流場仿真

利用ICEM CFD建立一個圍繞彈丸的圓柱體流場計算域，采用ICEM CFD中先進的塊網(wǎng)格劃分技術，劃分結構化網(wǎng)格，以保證網(wǎng)格品質，整個流場域劃分了7 771 385個網(wǎng)格[9]。計算域如圖3所示。

將網(wǎng)格導入FLUENT中，外邊界設為壓力遠場條件，彈體設為固壁條件。取來流為理想氣體，攻角δ=0～3°；馬赫數(shù)Ma=0.4～3，對彈丸進行氣動力分析。圖4所示為攻角為零和攻角不為零時仿真得到的彈體周圍壓力分布圖。

圖3　計算域

從圖4中可看出彈丸頭部，上下定心部以及彈尾部產(chǎn)生了明顯的激波，同時當存在攻角時可明顯觀察到彈丸上下兩側的激波不對稱。

圖4　彈體周圍壓力分布圖

2外彈道及活擊體爬行力分析

建立彈體及活擊體等三維模型如圖5所示，在ADAMS中設定彈丸的初速為980 m/s，轉速為2 646 rad/s，射角為分別為15°、30°和45°，將前面氣動分析得到的阻力和翻轉力矩以數(shù)表的形式給出[10-11]。彈丸阻力如表1所示，翻轉力矩如表2所示，取仿真步長為0.01 s；設置傳感器，當彈丸質心高度為零時，結束仿真。

圖5　彈體及活擊體等三維模型

馬赫數(shù)0.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0阻力/N2751160248310376443511579647715784853

表2　翻轉力矩數(shù)

2.1彈丸飛行穩(wěn)定性分析

當旋轉彈有章動角時，其空氣阻力在彈丸質心前方，將產(chǎn)生一個翻轉力矩使攻角增大。但彈丸自傳時，只要轉速高于某個數(shù)值，彈軸將不會因翻轉力矩的作用而翻轉，而是圍繞某一個平均位置旋轉與擺動，這就是所謂的陀螺穩(wěn)定性。追隨穩(wěn)定性是指彈丸在重力的作用下，彈軸能追隨速度矢量的下降而下降。具有陀螺穩(wěn)定性和追隨穩(wěn)定性的旋轉彈，其彈軸相對彈道切線的擺動幅值沿彈道衰減的彈則稱為具有動態(tài)穩(wěn)定性的彈。彈丸在不同時刻的姿態(tài)圖，如圖6所示。

圖6　彈丸在不同時刻的姿態(tài)

彈丸在整個飛行過程中沒有發(fā)生翻轉，彈軸隨速度矢量下降而下降，滿足了陀螺穩(wěn)定、追隨穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定的要求。直觀地再現(xiàn)了彈丸在外彈道中的運動情況，同時說明前面氣動分析得到的力和力矩是正確的。

2.2彈丸彈道曲線及活擊體爬行力分析

通過ADAMS的后處理可以得到彈丸飛行的彈道曲線(圖7)，以及活擊體爬行力隨彈丸飛行時間的變化曲線(圖8)。

圖7　彈丸飛行彈道曲線

圖8　活擊體所受爬行力與X射程關系

通過上面曲線可知射角為45°時彈丸的射程最遠，其飛行時間為63.5 s，最大彈道高為5.393 9×106mm，射程為1.35×107mm。爬行力在整個彈道都是存在的，出炮口后爬行力迅速減小，在彈丸剛出炮口時活擊體所受的爬行力最大，其最大值為2.18 N，保險零件滿足強度要求。射角越大，活擊體爬行力減小的越迅速。射角較小時，在整個彈道活擊體的爬行力都較大。

3結論

本研究利用數(shù)值仿真的方法，運用FLUENT計算流體力學軟件仿真得到了彈丸在外彈道飛行過程中受到的阻力和翻轉力矩。根據(jù)氣動分析得到的彈丸氣動力參數(shù)，利用ADAMS軟件對彈丸外彈道進行了數(shù)值仿真。仿真得到了彈丸在整個外彈道飛行過程中彈道曲線及其引信活擊體所受到的爬行力。分析結果對彈丸外彈道分析以及引信慣性觸發(fā)機構具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 顧強，安曉紅，茅浩年,等.微旋彈引信爬行保險機構設計與分析[J].彈箭與制導學報，2010(4):101-103.

[2]齊杏林，楊清熙，文健,等.基于氣體炮的引信動態(tài)模擬方法綜述[J].探測與控制學報，2011(8):1-5.

[3]張合，李豪杰.引信機構學[M].北京:北京理工大學出版社，2007.

[4]徐永杰，吳國東，劉強,等.增阻式一維彈道修正彈氣動分析[J].彈箭與制導學報，2013(6):133-137.

[5]王洋，佟惠軍，楊林.基于FLUENT的某型空空導彈空氣動力分析[J].四川兵工學報，2013(4)：53-55.

[6]楊翔，王雨時，聞泉.應用阻力系數(shù)擬合曲線解析式數(shù)值解算外彈道諸元[J].彈箭與制導學報，2014(5)：151-155.

[7]李婧偉，吳國東，王志軍.傘型阻力器一維彈道修正彈氣動特性分析[J]. 彈箭與制導學報，2014(6)：123-126.

[8]錢林方.火炮彈道學[M].北京:北京理工大學，2009.

[9]丁欣碩，焦楠.FLUENT14.5流體仿真計算從入門到精通[M].北京:清華大學出版，2014.

[10]郝永平，孟慶宇.基于空氣動力學及運動學的外彈道仿真[J].彈箭與制導學報，2012(12):121-124.

[11]陳鋒華.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京:清華大學出版社，2013.

[12]王曉鵬，王雨時，聞泉，等. 某高炮彈頭觸發(fā)引信機械零件質量分布特性[J].四川兵工學報，2015(5):63-68.

[13]王曉鵬，王雨時，聞泉，等. 非旋轉彈外彈道繞質心運動引信受力分析[J].兵工學報,2014,36(1):53-57.

(責任編輯周江川)

Numerical Simulation of Projectile Exterior Ballistic and Creep Force of Fuze Active Inertia Body

YUE Ming-kai, QIU Hao, JIAO Zhi-gang

(Equipment Engineering College, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:Aiming at the problem of calculating the creep force of the fuze parts in the design process of the inertial trigger fuze, the force of the fuze and the projectile flyed in the exterior ballistic were analyzed. The aerodynamic force of the projectile was simulated and analyzed by using the computational fluid dynamics (FLUENT) software. The resistance and the overturning moment of the projectile in the exterior ballistic were obtained. And then by the virtual prototype software (ADAMS) to simulate the whole flight process, we got the stability of the projectile in the whole exterior ballistic, the trajectory of the flying and the creep force of the active inertia body.of fuze The results and analysis have a certain reference value for the design and research of the ballistic trajectory analysis and the inertial trigger mechanism of the projectile.

Key words:fuze; exterior ballistic; active inertia body; creep force

文章編號：1006-0707(2016)03-0020-04

中圖分類號：TJ430.2

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.005

作者簡介：岳明凱(1971—)，男，碩士，教授，主要從事目標探測與毀傷研究。

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-10-22

本文引用格式：岳明凱，邱浩，焦志剛.彈丸外彈道及引信活擊體爬行力數(shù)值仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(3):20-22.

【裝備理論與裝備技術】