基于箱式發(fā)射技術的定向器有限元分析*

王兆飛，楊金柱，崔 凱

（武警工程學院，西安 710086）

0 引言

儲運發(fā)射箱定向器是近年被廣泛采用的一種定向器，這種形式的定向器既可作為火箭發(fā)射時的定向器使用，又可作為火箭彈平時的儲存、運輸包裝箱使用，通常將這種儲運發(fā)射箱進行發(fā)射的方式稱作箱式發(fā)射。基于箱式發(fā)射技術的箱儲式防暴彈發(fā)射單元，與武警部隊現(xiàn)役的其他驅散類武器相比，可有效提高武警部隊處置各類突發(fā)事件的快速反應能力及火力機動性。由于箱式發(fā)射裝置的“打完就扔”的一次性使用特點，本著對作戰(zhàn)效能和經(jīng)濟效益的雙重考慮，就需要做好定向器的選材和結構分析。

文中在對定向器進行建模和有限元分析的過程中，使用了三維構造軟件Pro－Engineer以及有限元分析軟件ANSYS，對定向器的受力進行了仿真分析，確保定向器的剛強度符合設計要求，從而為定向器的設計提供了理論依據(jù)。

1 發(fā)射裝置承受載荷分析

發(fā)射裝置在發(fā)射時，火箭彈從點火到離開發(fā)射裝置可分為閉鎖期、約束期和自由飛行期。點火后，火箭彈在發(fā)動機推力作用下作用于閉鎖機構，沖破閉鎖力，便從閉鎖器進入約束期。約束期內，因火箭彈受推力偏心及質量分布不均衡等因素的影響，產生了火箭彈對發(fā)射裝置的動力載荷。在火箭彈飛離定向器瞬間，火箭發(fā)動機的燃氣流將對發(fā)射裝置產生一個較大的沖擊力。

1.1 發(fā)動機推力

火箭彈所受發(fā)動機的總推力[1]可表示為：

式中：qm為火箭燃料的質量流速；uge為火箭彈噴射燃氣相對于彈體的噴射速度；Se為噴射管面積；pe為噴管出口端面燃氣壓力；pa為大氣壓力。推力由兩部分組成，第一部分為前項，稱為動推力，是由燃氣的動量變化產生的，通常占總推力的90%，第二部分為靜推力，是由于噴管出口端面氣壓力與外界大氣壓力不同造成的。

1.2 推力偏心及質量分布不均衡引起的動力載荷[2]

火箭彈與定向器在全約束期時，火箭彈與定向器之間受力分析如圖1所示，其中O′為質心，O′ξηζ為火箭彈體坐標系，γ為火箭彈體自轉角。

按照動靜法原理，沿yH軸的力平衡方程及繞ZH軸的力矩平衡方程如下：

式中：F′d和M′d分別為推力偏心與質量分布不均衡在鉛垂面內引起的動載荷的作用反力和力矩。Rs為實際質心相對于理想質心的偏移。

假設推力F的作用線偏離質心與ξ的交點為K，與火箭彈赤道面的交點為G，則O′G即為推力偏心L，則：

式中l(wèi)k為K點至O′的連線長。

由于發(fā)射單元主要用于面打擊，對防暴火箭彈的射擊精度及飛行穩(wěn)定性要求不高，因此，火箭彈在定向器內無自轉運動，則式（2）中自傳參數(shù)γ＝0，將式（3）代入式（2）并進行簡化得：

圖1 全約束期受力分析

對于半約束期的情形，如圖2所示，將F′d和M′d向定向管的后定心部中點R簡化，此時考慮F′d和M′d可能出現(xiàn)的最大值，根據(jù)參考文獻[2]有：

式中，EL為和ERS分別為推力偏心投影的中間偏差和靜不平衡度投影的中間偏差。

圖2 半約束期受力分析

1.3 燃氣流對發(fā)射系統(tǒng)的沖擊力

火箭發(fā)動機的燃氣流作用在發(fā)射裝置上之后，將產生一個沖擊力，其燃氣流沖擊發(fā)射系統(tǒng)正面，產生動壓分布p（r，s），火箭彈作用于發(fā)射系統(tǒng)的沖擊力為：

式中：D表示發(fā)射火箭彈時發(fā)射裝置迎氣正面上動壓作用的有效面積；r表示軸對稱圓形氣流中的任一點到軸心的距離；s表示從火箭彈噴出口界面到發(fā)射裝置迎氣正面的距離。

2 模型建立及仿真分析

2.1 建立條件

發(fā)射非致命火箭彈對定向器的剛強度要求較低，考慮發(fā)射單元的輕量化及經(jīng)濟性要求，定向器的材料選擇為工程塑料，選擇高密度聚乙烯作為定向器材料，其彈性模量G＝0.6GPa，密度為0.95g／cm3，抗拉強度為30MPa，抗壓強度為21MPa，定向器許用應力：

定向器長度為320mm，內徑d＝45mm，壁厚為3mm。

2.2 有限元模型建立

有限元分析步驟如圖3所示。

在Pro－Engineer中建立定向器模型，利用Pro－Engineer和ANSYS之間的無縫連接，將模型導入到ANSYS中，定義定向器的單元類型為六面體單元solid brick 8node 45，輸入材料的性能參數(shù)，將定向器模型進行網(wǎng)格化，共劃分1500個單元格，如圖4所示。將定向器設為剛體，以更好的檢驗定向器的剛強度。

圖3 有限元分析步驟

2.3 計算結果及分

根據(jù)定向器受力曲線，選取定向器受力最大位置，對x、y和z三個方向同時加力進行靜力分析。按建立的坐標系，分別對定向器80mm、120mm、200mm的位移變化和等效應力進行分析，如圖5～圖10所示。

圖4 定向器網(wǎng)格化

圖5 定向器80mm的位移變化

圖6 定向器80mm的等效應力

圖7 定向器120mm的位移變化

圖8 定向器120mm的等效應力

圖9 定向器200mm的位移變化

圖10 定向器200mm的等效應力

通過對定向器的位移變化及等效應力對比分析可知，定向器的最大位移變化為0.973mm，受到的最大應力為4.7MPa，所選的工程塑料符合強度設計要求。定向器中間的位移變化要比兩端的位移變化大，等效應力則集中在定向器中間和兩端，在定向器120mm處的位移變化和等效應力都較大。在進行定向器設計時，應當著重考慮此位置的強度。

3 結論

通過對發(fā)射單元的定向器建模及有限元分析，可得出以下結論：

1）采用工程塑料作為定向器材料，符合發(fā)射單元發(fā)射非致命火箭彈的剛強度設計要求，能夠實現(xiàn)發(fā)射單元對輕型化及經(jīng)濟性方面的要求。

2）在進行定向器設計時，可根據(jù)定向器有限元的分析結果，對定向器的形式、結構和經(jīng)濟指標等進行合理優(yōu)化，同時可減少定向器研發(fā)過程中的試驗次數(shù)和經(jīng)費開支。

[1]張柏生，李云娥.火炮與火箭內彈道原理[M].北京：北京理工大學出版社，1996.

[2]李軍.火箭發(fā)射系統(tǒng)設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]姚昌仁，張波.火箭導彈發(fā)射裝置設計[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[4]張文志，韓清凱，劉亞忠，等.機械結構有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.

[5]王國業(yè)，王國軍，胡仁喜.Pro／Engineer Wildfire 5.0中文版機械設計從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.