折疊翼機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法

孫海文，張曉旻，王軍輝

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710025)

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折疊翼機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法

孫海文，張曉旻，王軍輝

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710025)

提出一種折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，利用Abaqus有限元軟件建立三維模型進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，獲得展開時間、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果與地面試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，表明設(shè)計(jì)方法合理可行。

動力學(xué)；折疊翼；試驗(yàn)

為適應(yīng)導(dǎo)彈現(xiàn)代化設(shè)計(jì)小型化的必然趨勢，彈翼多采用折疊機(jī)構(gòu)[1-3]。折疊翼可有效縮小導(dǎo)彈的橫向尺寸，便于貯存、運(yùn)輸，節(jié)省發(fā)射裝置貯運(yùn)空間[4-6]，增加車輛、艦艇和飛機(jī)的運(yùn)載能力，提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[7]。

導(dǎo)彈離筒后，折疊翼在慣性力作用下展開到位并可靠鎖定[8]。在折疊翼展開過程中，展開機(jī)構(gòu)需要傳遞載荷，滿足規(guī)定的運(yùn)動功能要求，其展開機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與各構(gòu)件鉸接位置是折疊翼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[9-11]。

折疊翼展開機(jī)構(gòu)主要用于保證翼面順利折疊與展開，其性能直接影響展開的快速性、穩(wěn)定性及可靠性，關(guān)系著導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)成功與否。

在折疊翼的設(shè)計(jì)過程中，要確保折疊翼順利展開，可靠鎖定，沖擊過載不影響導(dǎo)彈正常飛行。本文提出一種折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對同類機(jī)構(gòu)研究具有一定的參考價值。

1 折疊翼機(jī)構(gòu)

1.1 折疊翼機(jī)構(gòu)組成

折疊翼主要包括固定部分、折疊部分、鎖定機(jī)構(gòu)、扭簧機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 折疊翼組成示意圖

其中扭簧機(jī)構(gòu)由扭簧、扭簧上蓋、扭簧下蓋、轉(zhuǎn)軸等組成，如圖2所示。

圖2 扭簧機(jī)構(gòu)示意圖

扭簧上蓋通過M4螺釘與折疊部分連接，扭簧下蓋通過M4螺釘與固定部分連接，扭簧一端固定于扭簧上蓋，一端固定于扭簧下蓋，通過轉(zhuǎn)軸將折疊部分與固定部分有機(jī)結(jié)合。

1.2 工作原理

導(dǎo)彈發(fā)射前，折疊翼(折疊狀態(tài))受到箱中的適配層約束。發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，彈體出箱、約束解除，扭簧提供初始動力，通過軸向加載完成展開動作。當(dāng)折疊部分旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置后，由鎖定機(jī)構(gòu)完成限位。折疊翼折疊狀態(tài)見圖3，展開狀態(tài)見圖4。

圖3 折疊翼折疊狀態(tài)示意圖

圖4 折疊翼展開狀態(tài)示意圖

2 折疊翼動力學(xué)模型及計(jì)算結(jié)果

2.1 模型建立

通過Pro/E軟件建立折疊翼三維模型，導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，根據(jù)折疊翼具體機(jī)構(gòu)及展開原理，在幾何模型的各部件之間添加相應(yīng)的運(yùn)動副和約束條件，同時考慮相關(guān)部件之間的摩擦力。

固定部分與折疊部分之間的旋轉(zhuǎn)副受到扭矩載荷作用，沿艙段軸線初始速度為35 m/s，軸向負(fù)載為35 g。折疊部分在展開過程中，受到氣動力作用。設(shè)氣動力作用在彈翼的壓心位置，可分解為法向力和軸向力。整個運(yùn)動過程考慮重力場的影響。

2.2 仿真分析及結(jié)果

折疊翼機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真采用有限元顯性算法模擬折疊翼出筒后展開過程。

輸入條件：初始速度35 m/s，軸向負(fù)載為35 g，仿真結(jié)果如圖5～圖11所示。

整個展開過程中，折疊部分的角速度逐漸增加，呈上升趨勢，折疊部分在第52.8 ms時，展開到位，角速度達(dá)到峰值約為4 750 °/s，如圖5所示。

折疊翼在展開到位后，折疊部分與鎖定機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞，鎖定機(jī)構(gòu)上的最大應(yīng)力為112.4 MPa，小于材料抗拉強(qiáng)度1 080 MPa；折疊部分的最大應(yīng)力為101.2 MPa小于材料抗拉強(qiáng)度300 MPa，如圖10所示。

圖5 折疊翼角速度隨時間變化曲線

圖6 折疊翼應(yīng)力云圖(展開前)

圖7 折疊翼位移云圖(展開前)

圖8 折疊翼應(yīng)力云圖(展開45°)

圖9 折疊翼位移云圖(展開45°)

圖10 折疊翼應(yīng)力云圖(完全展開)

圖11 折疊翼位移云圖(完全展開)

3 展開試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方案

作展開試驗(yàn)，通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的離心力模擬折疊翼在35 g軸向負(fù)載條件下的展開情況。

將試件橫向固定在轉(zhuǎn)臺上，折疊翼收攏后用包有點(diǎn)火藥包的細(xì)繩捆扎。啟動轉(zhuǎn)臺，當(dāng)轉(zhuǎn)臺達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速時，引燃點(diǎn)火藥包，細(xì)繩被燒斷，折疊翼展開并鎖緊。用高速攝像機(jī)拍攝折疊翼展開過程。

當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速達(dá)到3.5 r/s時，折疊翼承受35 g軸向負(fù)載。折疊翼展開過程如圖12、圖13所示。

圖12 折疊翼展開試驗(yàn)(折疊狀態(tài))

圖13 旋轉(zhuǎn)展開試驗(yàn)(展開狀態(tài))

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

高速攝像拍攝位置在轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時很難確定，可根據(jù)拍攝試驗(yàn)結(jié)果分析得到：翼面展開順暢，鎖定可靠，所有結(jié)構(gòu)件無損。

折疊翼固定到轉(zhuǎn)臺后，當(dāng)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為3.5 r/s時，折疊翼展開時間為55.5 ms，仿真結(jié)果為51.6 s，相對誤差為7.0%。折疊翼整個展開過程順利，無卡死現(xiàn)象，展開到位后，折疊部分與鎖定發(fā)生碰撞，機(jī)構(gòu)完好無損。

將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

針對折疊翼機(jī)構(gòu)展開過程，利用 Abaqus進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果與地面試驗(yàn)結(jié)果一致性較好；地面試驗(yàn)時，折疊翼機(jī)構(gòu)展開順暢，鎖定可靠，折疊翼各部件之間沒有相互干涉，所有結(jié)構(gòu)件完好。說明該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可行，動力學(xué)仿真可以用于動態(tài)模擬翼面展開過程。

[1] 余旭東，葛金玉.導(dǎo)彈現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 劉習(xí)軍，賈啟芬.工程振動與測試技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.

[3] 廖伯瑜，周新民.現(xiàn)代機(jī)械動力學(xué)及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 秦兵才，文立華.小型折疊翼展開機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29(4):206-208.

[5] 趙俊峰，劉莉，楊武，等.折疊翼展開動力學(xué)仿真及優(yōu)化[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32(2)：155-157.

[6] 王杰.折疊翼飛行器氣動彈性與動力學(xué)仿真[D].南京：南京航天航空大學(xué)，2010.

[7] 李莉，任茶仙，張鐸.折疊翼機(jī)構(gòu)展開動力學(xué)仿真及優(yōu)化[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2007(2):17-21.

[8] 胡明，張苗苗，陳文華，等.考慮鉸間隙的折疊翼展開機(jī)構(gòu)展開過程碰撞動力學(xué)仿真分析[J].機(jī)械制造，2011,(9)：6-9.

[9] 祝隆偉，王明，劉懷勛，等.含多間隙的折疊翼展開碰撞動力學(xué)仿真[J].制造業(yè)信息化，2013(4)：66-67.

[10]韓同來，廉小純，何曉夫.基于制導(dǎo)炸彈的折疊尾翼優(yōu)化研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010,30(4)：137-140.

[11]崔二巍，于存貴，李猛，等.某導(dǎo)彈折疊彈翼展開過程的仿真分析[J].兵工自動化，2013,32(12)：:12-14.

(責(zé)任編輯 周江川)

A Design Method of the Folding-Wings

SUN Haiwen， ZHANG Xiaomin， WANG Junhui

(The 41st Institute of The Fourth Academy of CASC，National Key Laboratory of Combustion，F(xiàn)low and Thermo-structure， Xi’an 710025， China)

A design method of the folding-wings was put forward based on the mechanism expansion process and the specific structural form. The folding-wings expansion time，stress and displacement was obtained through the finite element model simulation，which was established by Abaqus. The calculation results was in accord with the experimental results. Both the ground test results and the dynamic simulation results showed that the structure design of the folding-wings was able to meet the design requirement. The research shows that the design method of this mechanism is feasible.

dynamics；folding-wings；experiment

10.11809/scbgxb2017.07.019

2017-03-20；

2017-04-15

孫海文(1982—)，男，主要從事導(dǎo)彈、火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

format:SUN Haiwen，ZHANG Xiaomin，WANG Junhui.A Design Method of the Folding-Wings[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):85-88.

TJ203

A

2096-2304(2017)07-0085-04

本文引用格式：孫海文，張曉旻，王軍輝.折疊翼機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):85-88.