一種彈體膛內運動的動力學仿真方法

摘 要：在傳統彈體外形結構設計到定型過程中，為減少加工、試驗及人力等成本，針對某彈體在方案階段的結構設計，提出一種彈體膛內運動的動力學仿真方法。對某彈體結構進行建模，用動力學仿真軟件ADAMS模擬彈體在膛內的環境作用力后，實現該種方案結構運動的仿真，為指導后續各階段設計改進提供參考。

關鍵詞：彈體；動力學；仿真

中圖分類號：TJ410文獻標識碼：A

彈體在火炮膛內實際發射過程中，往往較難測得彈體的轉速，并且從零件設計、制造開始到完成一次發射試驗需要耗費較大的人力、物力和財力。本文針對某彈體在方案階段的結構設計，提出一種彈體膛內運動的動力學仿真方法。仿真在機構運動和動力學上的應用從成本、效率、良性循環設計等根本上改變了以往單純靠物理試驗和計算進行測試的工作模式，使仿真工作具有了經濟性、靈活性和可重復性。[1～2]

ADAMS彈體結構動力學模型

首先建立彈體結構動力學模型，將整個彈體結構簡化為三大部分：主動部分、隨動部分及鋼珠，如圖1所示。彈體在膛內發射過程中，在火藥燃燒作用力下，彈體主動部分上的彈帶擠進膛線并推動彈體沿膛線旋轉運動，隨著彈體主動部分的高速旋轉帶動其隨動部分旋轉。簡化結構中，鋼珠主要起軸承作用，最終實現彈體隨動部分的轉速小于主動部分，并考察驗證彈體隨動部分轉速與主動部分轉速的比值。在Pro/e中進行三維模型建立，保存為.x_t格式，再將其導入動力學仿真軟件ADAMS中，進行相關約束、接觸、力、運動、摩擦系數及質量屬性等參數設置，其中對彈體在膛內的各種環境作用力的簡化和模擬的設置較為重要。

ADAMS仿真驗證過程及結果

2. 從彈體開始發射到彈體出炮口階段

在此階段，設置仿真作用時間10ms，在彈體主動部分加Motion驅動其轉速ω1由0加速至1.34×107d/s，軟件仿真輸出曲線如圖2所示。在彈體主動部分帶動下，彈體隨動部分轉速ω2由0加速至3.35×106d/s。彈體隨動部分轉速與主動部分轉速之比ω1/ω2為0.25。

2. 彈體出炮口后的自由飛行階段

在此階段，使作用在彈體主動部分的Motion失效，添加設置作用在主動和隨動部分上與彈體轉速方向相反的取自彈體在固定馬赫數下對應的極阻尼力矩（彈體在自由飛行階段的速度實際是不斷變化的，本仿真取固定馬赫數做出簡化），并對彈體主動部分設置初始條件為轉速ω1，對彈體隨動部分設置初始條件為轉速ω2。仿真運行至0.01s時，主動部分轉速由ω1減小至ω3≈1.04×107d/s，之后轉速開始反向并增大，仿真曲線如圖3所示；在軟件運行至0.00375s時，隨動部分轉速由ω2減小至0，軟件運行到0.01s時，隨動部分轉速同向增大至ω4≈2.35×106d/s，之后轉速開始出現減小與增大的波動。在0.01s時，隨動部分轉速ω4與主動部分轉速ω3之比為ω4/ω3=0.226<0.25，ω3與ω4方向相反。

3 結語

通過本文仿真，該彈體結構方案可以實現減小彈體隨動部分的轉速，考慮彈體實際尺寸及確定彈體主動部分與隨動部分的聯接方案，及在隨動部分開槽或者添加減速舵片，并對其進行Fluent飛行動力仿真，算出彈體相關氣動力等參數，對仿真實驗方案進行完善，可取得較為準確的仿真結果，為后續各階段彈體結構設計的不斷改進提供參考。

參考文獻：

[1]趙東新，劉明杰.引信兩種典型機構的運動和動力學仿真測試[J].測試技術學報，1998，12（2）：486-491.

[2]王力，曹紅松，張會鎖，等.一種典型機構的動力學仿真測試方法[J].機電技術，2015，12（3）：55-57.

作者簡介：王力（1985-），男，陜西西安人，碩士，助教，主要研究方向為機械設計與材料檢測。