一種修正引信柵格舵片的展開過程研究*

楊添元,李東光,張 驄,史永慧

(北京理工大學, 北京 100081)

0 引言

柵格舵作為一種新型的升力面,相比于傳統鴨舵,有自身獨特的優勢：柵格舵面產生的升力大,它能在總體積比較小的情況下獲得相比單面翼更大的翼總面積,其尺寸相比單面翼小、重量輕、翼弦短,能夠采用較小的作動系統,占用更小的引信空間。但是,柵格舵由于自身尺寸較小,舵片的厚度較薄,在工作過程中能否不發生形變,到位之后能否鎖死,都是確保其執行修正能否順利完成的關鍵因素。國內許多學者對折疊翼的展開過程作了大量深入研究[1-4],柵格舵機構的主要性能指標包括展開時間、展開到位后的沖擊載荷,鎖死機構的可靠性、穩定性等,這些指標直接影響了炮彈的飛行狀況,從而決定了是否能完成預定任務。

文中以某二維修正引信的柵格修正舵為研究對象,建立三維模型,計算出舵片在飛行過程中展開所受到的氣動力,導入到運動學仿真軟件中進行展開過程運動學仿真,最后對其進行了強度校核。

1 展開機構技術指標

折疊翼為柵格舵片形式,展開機構應滿足如下指標：

1)展開過程時間小于100 ms；

2)展開到位角度為90°；

3)展開到位后鎖定機構能夠迅速完成鎖死,無回彈,振動在可接受范圍內;

4)展開過程中舵片強度安全結構不發生破壞。

2 展開機構結構原理及動力學模型

2.1 結構原理

折疊翼機構如圖1所示,包括柵格舵片、扭簧、爆炸箍、鎖死裝置、緩沖裝置等部分。在舵片展開前,由爆炸箍環將舵片收束在引信體表面的凹槽中。在接收到指令后引爆箍環,柵格舵片在扭簧與迎面氣流的共同驅動下完成展開動作。在展開到指定位置后,由鎖定裝置彈出鎖定銷將舵片鎖定在指定位置。

圖1 結構原理

2.2 動力學模型

對于折疊翼展開過程,將舵片視為剛體,暫不考慮其彈性變形,根據剛體定軸轉動的角動量定理,有：

(1)

式中：j為柵格舵片繞軸的轉動慣量；θ為舵片展開的角度；扭簧扭矩：

Mt=k(φ0-θ)

(2)

彈體自轉產生的慣性力力矩:

(3)

式中：ω為彈體自身轉速。Μa為舵片法向上空氣阻力所產生的阻力力矩,這里利用FLUENT對舵片進行氣動仿真,在0.8Ma下得出不同角度下的值。摩擦力矩Mf包括舵片上空氣產生的摩擦力矩,舵片根部轉軸處構件間的摩擦力等,在仿真軟件中通過定義來實現。建立該方程為后期仿真的基礎。

3 動力學仿真

3.1 仿真模型

用INVENTOR設計三維模型,導入動力學仿真軟件ADAMS建立其展開過程的模型。通過扭簧的扭轉力矩與氣動力矩作為驅動使舵片展開,添加運動副,并且分別在引信體與舵片,轉軸與舵片,鎖死裝置與舵片間添加接觸力,使用impact函數為沖擊函數模型。舵片材料為鋁,縱向最大尺寸為45 mm,橫向為30 mm,繞彈體中心軸的轉動慣量為844 g·mm2。在定義的接觸力中,設置力指數為1.5,阻尼系數取材料剛度值的0.1%～1%,刺穿深度取0.1。

3.2 施加扭簧力載荷

為了保證在任何情況下都能提供足夠的展開驅動力,在計算所需扭簧力矩時候,考慮僅有扭簧力矩作為驅動的情況去確定彈簧所需剛度。故根據式(1)、式(2),有：

(4)

初始條件為θ(0)=0,θ(0)=0,有：

(5)

將展開時間指標tz=100 ms代入式(5),結合扭簧設計準則,確定k=0.01 N·mm/(°)時能夠滿足指標。在仿真時設置扭簧的預設角大于所需展開的角度,保證在展開到位時預設角還有剩余,能使舵片更穩定的固定在指定位置。

3.3 施加氣動載荷

對舵片采用ICEM非結構網絡劃分,FLUENT數值模擬計算,前后設置十倍計算域,在舵片周圍設置加密區域,將舵片表面設置為WALL,材料選擇理想氣體。對流項的離散方式選擇二階迎風格式。湍流模型采用雷諾平均法,標準二方程k-ε模型,在0.8Ma,0°攻角下選取舵片展開過程中10個角度進行仿真,得出其軸向氣動阻力變化如圖2所示。導出其壓力中心坐標,在adams中將力施加在舵片的壓力中心上。

圖2 氣動力-角度變化曲線

3.4 仿真結果

仿真結果如圖3～圖5。圖3為展開時間與展開角度關系圖,可以看到舵片展開角度為90°,且展開過程中曲線的斜率遞增,說明舵片展開的角速度隨著時間而增大,這是由于雖然扭簧在展開過程中提供的扭矩逐漸減小,但是氣動載荷提供的展開力逐漸增大,在二者共同作用下呈現出遞增趨勢,從收縮狀態展開到位時間約為27 ms,滿足指標要求。圖4為沖擊載荷與時間關系圖,由圖可以看出展開到位瞬間舵片底部與引信體的沖擊載荷為36.5 N,展開到位最大沖擊載荷超出穩定值25%。圖5為鎖定銷和舵片之間的沖擊力與時間的關系圖,由圖可以看出在展開到位后鎖定機構經過極短時間的振動就能鎖死,舵片受到鎖定銷的最大沖擊載荷為17.5 N,鎖死后舵片穩定固定在指定位置。

圖3 展開角度

圖4 舵片沖擊力-時間變化曲線

圖5 鎖定銷沖擊力-時間變化曲線

4 強度分析

使用ANSYS MECHANICAL APDL進行強度分析,受到最大沖擊載荷瞬間的應力云圖如圖6所示。舵片上瞬間產生的最大應力為187 MPa,舵片材料為鋁2A12材料,抗壓強度為370 MPa,故展開到位時不會發生破壞。

圖6 舵片碰撞應力云圖

5 結論

在分析該折疊翼機構的展開過程中,建立了展開過程的動力學模型,計算出所需扭簧剛度與飛行中所受到的氣動載荷等因素,導入Adams進行展開過程的仿真。表明開機構工作過程穩定可靠,發生振動較小,展開到指定位置后能夠迅速鎖死,且舵片的薄弱環節最大應力小于材料的屈服強度,結構安全。文中工作可為折疊翼的研究提供理論依據。