某火箭炮閉鎖機(jī)構(gòu)工作過(guò)程的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

宋時(shí)浩，李軍，宋雙婧，魯霄光，方九如

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

某火箭炮閉鎖機(jī)構(gòu)工作過(guò)程的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

宋時(shí)浩，李軍，宋雙婧，魯霄光，方九如

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法研究了某火箭發(fā)射系統(tǒng)閉鎖機(jī)構(gòu)的工作全過(guò)程，建立了合理有效的模擬閉鎖力解決方案。揭示了定向鈕、定位環(huán)和閉鎖體等零部件的受力、變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。研究表明，閉鎖機(jī)構(gòu)與火箭彈之間的載荷具有明顯的瞬態(tài)特性，定向鈕與定位環(huán)上載荷的變化頻率達(dá)2 kHz，該載荷對(duì)發(fā)射系統(tǒng)振動(dòng)和火箭彈擾動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

火箭炮；瞬態(tài)沖擊；閉鎖機(jī)構(gòu)；閉鎖力；火箭發(fā)射裝置；動(dòng)力學(xué)仿真

0 前言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒后，燃?xì)饨?jīng)噴管流動(dòng)迅速產(chǎn)生推力，推動(dòng)火箭彈沿定向器運(yùn)動(dòng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)傳火系統(tǒng)和推進(jìn)劑燃燒具有或然性，燃燒室壓力與平衡壓力的出現(xiàn)時(shí)刻不一致(相差約幾百毫秒)，因而發(fā)動(dòng)機(jī)推力在點(diǎn)火初期存在不恒定，造成連續(xù)射擊時(shí)每發(fā)火箭彈的離軌速度不一致，引起火箭彈散布，降低射擊精度。為此，通常在火箭發(fā)射系統(tǒng)中設(shè)置閉鎖機(jī)構(gòu)[1]。該機(jī)構(gòu)在點(diǎn)火初期依靠彈性能約束火箭彈的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到某一預(yù)設(shè)值(閉鎖力值)后，閉鎖機(jī)構(gòu)解鎖，火箭彈才能開(kāi)始在定向器內(nèi)運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，閉鎖機(jī)構(gòu)的性能對(duì)保證火箭彈離軌速度的一致性和提高發(fā)射精度至關(guān)重要。閉鎖力是影響閉鎖機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵要素，因此研究閉鎖力的性質(zhì)及其作用機(jī)理具有重要意義。

本質(zhì)上，閉鎖力本是火箭彈與定向器間的相互作用力，它對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)和火箭彈的起始擾動(dòng)都有較大的瞬態(tài)影響，其設(shè)計(jì)值達(dá)火箭彈重力的6～10倍。長(zhǎng)期以來(lái)，受動(dòng)力學(xué)理論約束和計(jì)算方法限制，進(jìn)行閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常將閉鎖力處理為靜態(tài)力[2，15，16]，這類處理方法忽略了閉鎖力的瞬態(tài)變化，中斷了系統(tǒng)內(nèi)部的載荷作用，形成發(fā)射系統(tǒng)的偽振動(dòng)。對(duì)火箭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體性能不能提供精確指導(dǎo)。 文獻(xiàn)[5]雖然將閉鎖力處理為隨時(shí)間變化的函數(shù)，由于函數(shù)的細(xì)節(jié)無(wú)法確定，對(duì)該類問(wèn)題的研究并無(wú)實(shí)質(zhì)進(jìn)展。因此，建立合理有效的閉鎖力求解方案勢(shì)在必行。

發(fā)射系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中主要有3類外部載荷(發(fā)射系統(tǒng)振動(dòng)引起的載荷屬系統(tǒng)內(nèi)部載荷，文中不作討論[2])：火箭彈推力偏心[7-11]、閉鎖力解脫時(shí)的沖擊載荷[2]和燃?xì)馍淞鳑_擊力[12-14]。近年來(lái)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜體系中各部件的相互作用力、應(yīng)力和應(yīng)變等的求解成為可能[18-20]，關(guān)于火箭發(fā)射系統(tǒng)的物理體系數(shù)學(xué)模型及其邊界條件的研究也已成熟[3-6]，于是，關(guān)于發(fā)射系統(tǒng)的建模、計(jì)算以及振動(dòng)性能與火箭彈起始擾動(dòng)的研究成為可能。在工作過(guò)程中閉鎖力呈瞬態(tài)和交變的非線性變化，因此，文中擬采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法分析閉鎖機(jī)構(gòu)工作的全過(guò)程，揭示各部件的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究閉鎖機(jī)構(gòu)的受力、變形及結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，探索發(fā)射系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的新方法。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法

在工程研究中，當(dāng)載荷與時(shí)間的相關(guān)性不可忽視，慣性力和阻尼作用顯著時(shí)，通常采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法(亦稱時(shí)間歷程分析法)研究隨時(shí)間變化的載荷結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題。針對(duì)所研究構(gòu)件的振動(dòng)特性和沖擊碰撞過(guò)程，考慮到構(gòu)件中接觸問(wèn)題較為復(fù)雜，以及計(jì)算效率和收斂問(wèn)題，現(xiàn)采用ABAQUS求解器中的動(dòng)態(tài)顯示分析方法，基本方程如下：

(1)

采用直接積分顯式法求解式(1)[22-23]。設(shè)當(dāng)前時(shí)間步為n，運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(2)

(3)

(4)

(5)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)顯示，該求解方法無(wú)需進(jìn)行矩陣分解，時(shí)間步程序流程如圖1所示。

圖1 顯式算法流程

2 幾何與動(dòng)力學(xué)建模

2.1 幾何建模

某閉鎖機(jī)構(gòu)與定向器、火箭彈組成的火箭發(fā)射系統(tǒng)見(jiàn)圖2。坐標(biāo)系基本信息如圖4所示，其中ox軸為定向鈕掙脫約束后的運(yùn)動(dòng)方向，沿ox方向的所有位移為正，力為正；oy軸為閉鎖體開(kāi)口運(yùn)動(dòng)方向，沿oy軸閉鎖體等各部分的位移、速度和力均為正；坐標(biāo)原點(diǎn)o位于定位環(huán)后側(cè)圓弧中心位置。閉鎖機(jī)構(gòu)工作時(shí)，與火箭彈固連的定向鈕在發(fā)動(dòng)機(jī)推力Fp作用下，具有沿ox向右側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)(圖3)。推力較小時(shí)，受閉鎖體約束火箭彈不能移動(dòng)。隨著推力不斷增大，在定向鈕逐步克服閉鎖體彈性的過(guò)程中，由于定位環(huán)的直徑比定向鈕大，閉鎖體右端被迫變形張開(kāi)(圖4)，當(dāng)閉鎖體開(kāi)啟的縫隙大于定向鈕直徑時(shí)，定向鈕將擺脫閉鎖機(jī)構(gòu)的束縛。擋彈桿的主要作用是約束火箭彈向左側(cè)移動(dòng)。

圖2 閉鎖機(jī)構(gòu)模型圖

1—閉鎖體；2—定位環(huán)(與定向器固聯(lián))； 3—擋彈桿；4—預(yù)緊螺栓(螺母)；5—定向鈕(與火箭彈固聯(lián)) 圖3 閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型示意圖

圖4 閉鎖機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

為便于計(jì)算分析，做如下假設(shè)：

1) 定向器與大地固連，坐標(biāo)系o-xyz為固定坐標(biāo)系；

2) 定位環(huán)(定向器)和擋彈桿為剛體；

3) 定向鈕、閉鎖體、預(yù)緊螺栓為彈性體；

4) 閉鎖體和擋彈桿之間的墊片簡(jiǎn)化為彈簧；

5) 發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用在火箭彈軸線上，無(wú)推力偏心，火箭彈為剛體；

6) 僅考慮定向鈕與閉鎖體的摩擦力，其余摩擦忽略。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析建模

2.2.1 實(shí)體模型的網(wǎng)格化

將閉鎖機(jī)構(gòu)中的閉鎖體、定位環(huán)、擋彈桿預(yù)緊螺栓劃分為C3D8R單元網(wǎng)格，而將定向鈕和火箭彈劃分為四面體網(wǎng)格。具體網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)和閉鎖機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

2.2.2 各部分約束定義

文中涉及的接觸定義見(jiàn)表1，為減少計(jì)算量，將剛度大的區(qū)域定義為剛體。

表1 接觸定義

2.2.3 材料與外載荷

由于各部件均為鋼材，因此采用同一套材料參數(shù)，設(shè)置如下：密度ρ=7.83kg/m3，彈性模量E=2.07×1011Pa，泊松比μ=0.3。

文中的研究對(duì)象是由閉鎖機(jī)構(gòu)的5個(gè)部件、定向器和火箭彈組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)唯一的外部載荷是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力。依據(jù)文獻(xiàn)[24]，推力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示?？紤]到閉鎖機(jī)構(gòu)工作在推力-時(shí)間曲線的初始階段，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后的幾毫秒內(nèi)，因此根據(jù)圖6擬合出0～50 ms內(nèi)推力隨時(shí)間的變化函數(shù)Fp(t)=874822t，其中t=0發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻。

圖6 擬合的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線

3 仿真分析

兩個(gè)對(duì)稱布置的閉鎖體依靠預(yù)緊螺栓(螺母)的旋緊產(chǎn)生預(yù)緊力。首先模擬螺母旋緊過(guò)程，單側(cè)閉鎖體的旋緊量為3mm，預(yù)緊螺栓承受4623.7N的拉力，閉鎖體與定向鈕間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15。

3.1 定向鈕工作過(guò)程受力分析

定向鈕與火箭彈固連，火箭彈產(chǎn)生推力后定向鈕與兩閉鎖體發(fā)生相互作用，生成摩擦力F1，5-f和正壓力F1，5-n，如圖7所示。點(diǎn)C1，5為上閉鎖體與定向鈕間的力作用點(diǎn)，該點(diǎn)的位置在閉鎖機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中是變化的。

圖7 定向鈕受力圖

由圖7可知，閉鎖機(jī)構(gòu)是傾斜安裝在定向器上的，因此閉鎖體對(duì)定向鈕的作用力F1，5-f和F1，5-n均為空間力。計(jì)算結(jié)果以三坐標(biāo)軸上的分力形式給出，如F1，5-f,x，F(xiàn)1，5-f,y，F(xiàn)1，5-f,z和F1，5-n,x，F(xiàn)1，5-n,y，F(xiàn)1，5-n,z。F1，5-f,y和F1，5-n,y對(duì)定向鈕的作用上下對(duì)稱(圖7視圖方向)，y向的作用合力為零。定向鈕受力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，定向鈕x方向受力主要是閉鎖體施加的正壓力分量，其次為閉鎖體與定向鈕間的摩擦力(約占12%)，說(shuō)明改善潤(rùn)滑條件可有效減小F1，5-f,x。

圖8 定向鈕受力曲線

圖8(b)表明：定向鈕z向受力的最大值約為1200N，即此時(shí)閉鎖機(jī)構(gòu)對(duì)火箭彈的重力方向的作用力約為火箭彈質(zhì)量的2倍；該力雖然持續(xù)時(shí)間較短，但在彈管有間隙時(shí)，仍會(huì)造成火箭彈橫向振動(dòng)。

從圖6和圖8(a)的曲線中提取數(shù)據(jù)并繪制曲線見(jiàn)圖9。分析圖8(a)、圖9、圖10可得出如下結(jié)論：

圖9 定向鈕上力與推力比較

圖10 定向鈕位移、速度和加速度時(shí)間曲線

1)t1時(shí)刻前(0～2.4ms)階段，定向鈕受力由0迅速增加到11520.6N，此時(shí)火箭推力僅為2099.6N(圖9)(與靜力學(xué)相關(guān)理論不符)；且該現(xiàn)象持續(xù)到t3時(shí)刻(圖9、圖10)。實(shí)際上，當(dāng)火箭推力加載、定向鈕隨火箭彈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，定向鈕與閉鎖體處于自由接觸狀態(tài)。隨后定向鈕與閉鎖體發(fā)生猛烈撞擊，由于火箭彈的慣性質(zhì)量遠(yuǎn)大于閉鎖體，造成閉鎖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)嚴(yán)重滯后，撞擊能量不能迅速轉(zhuǎn)化為閉鎖體的彈性變形能。

2)t1→t2(2.4～5.6ms)階段，定向鈕受力逐漸減小(圖9)，相應(yīng)地加速度呈現(xiàn)出3次強(qiáng)烈的加速?zèng)_擊；而速度逐漸減小直至反向變化(由0.3～-0.26m/s)，位移也出現(xiàn)反向變化，定向鈕向后運(yùn)動(dòng)約0.13mm。據(jù)此可以推測(cè)，閉鎖體受撞擊后并未立即響應(yīng)定向鈕的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，而是產(chǎn)生彈性變形，在回彈過(guò)程中又與定向鈕再次撞擊，并多次重復(fù)，且相互間作用力大于此時(shí)的火箭推力，迫使火箭彈向后作微小運(yùn)動(dòng)。

3)t2→t3(5.6～6.8ms)階段，定向鈕速度、加速度幾乎為0，位移保持在0.82mm，表明這一階段火箭彈在推力與閉鎖體反作用在定向鈕的力大小相等、方向相反，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

4)t3(6.8ms)時(shí)刻以后，定向鈕速度和位移小幅波動(dòng)，總體上呈均勻增加趨勢(shì)，加速度則保持正值，即定向鈕一直處于加速階段。由圖8(a)所示，在6.8ms以后至定向鈕離開(kāi)閉鎖體的時(shí)間段內(nèi)，定向鈕所受x向力逐漸增大，且收縮振蕩，振蕩頻率約為2kHz。

3.2 定向鈕與閉鎖體相互作用過(guò)程分析

為了研究定向鈕與閉鎖體在整個(gè)工作過(guò)程中的相互作用，在計(jì)算結(jié)果中取14個(gè)典型時(shí)刻來(lái)表示二者的位置關(guān)系，如圖11所示。結(jié)合前文分析可發(fā)現(xiàn)：t3時(shí)刻后，定向鈕處于振蕩向前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而閉鎖體前段開(kāi)口變化均勻，定向鈕的推進(jìn)和閉鎖體的彈性變形響應(yīng)匹配(圖12)，因而定向鈕的推進(jìn)速度明顯加快。

圖11 定向鈕與閉鎖體作用時(shí)間歷程

圖12 定向鈕位移與受力關(guān)系圖

值得引起注意的是：t9時(shí)刻定向鈕所受正壓力的x向分量F1，5-n,x接近“0”(圖10(a)和表2)，表明閉鎖體對(duì)定向鈕的作用力主要是F1，5-n,y，二者接觸點(diǎn)處的法線共線且位于y軸方向。圖11中t10、t11、t12、t13時(shí)間步的結(jié)果描述了定向鈕被閉鎖體“擠”出的過(guò)程，表2中數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)1，5-n,y逐漸正向增大。t14時(shí)刻定向鈕已被“彈”出，兩閉鎖體前端接觸撞擊。t15時(shí)刻兩閉鎖體前端遭撞擊后又分開(kāi)，從計(jì)算過(guò)程監(jiān)視視頻可看出撞擊重復(fù)若干次。

表2 定向鈕受力計(jì)算結(jié)果

3.3 定位環(huán)工作過(guò)程受力分析

實(shí)際應(yīng)用中，依靠閉鎖體前端的擋片和后端的回?fù)躅^約束，可將閉鎖機(jī)構(gòu)方便地安裝在定向器上。箭頭形的回?fù)躅^約束擋彈桿，擋片則與定向器焊接在一起。閉鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其約束關(guān)系詳見(jiàn)圖2(a)、圖3、圖5(b)和圖13。

圖13 閉鎖機(jī)構(gòu)約束圖

由3.2節(jié)討論可知，定向鈕與閉鎖體之間的作用力可沿閉鎖體傳遞到定位環(huán)，定位環(huán)的直徑大于定向鈕直徑，從而確保閉鎖過(guò)程中閉鎖體前端張開(kāi)以釋放定向鈕。由于定位環(huán)與定向器焊接在一起，所以，作用于定位環(huán)的載荷將傳遞到定向器，成為定向器振動(dòng)的“載荷源”。

閉鎖力的大小可通過(guò)預(yù)緊螺栓調(diào)節(jié)。文中產(chǎn)品在自由狀態(tài)下旋緊預(yù)緊螺母6mm即可獲得需要的預(yù)緊力。計(jì)算時(shí)采取如下方法模擬預(yù)緊過(guò)程：在螺母(圖2(b))上施加載荷，使閉鎖體前后端并緊，全部長(zhǎng)度上發(fā)生彈性變形，最后產(chǎn)生單邊3mm的壓緊量。預(yù)緊完成后，閉鎖體前端的變形生成定向鈕與閉鎖體之間的間隙，后端的變形則促使閉鎖體夾緊定位環(huán)。

將預(yù)緊過(guò)程、消除間隙過(guò)程和推力作用過(guò)程與定位環(huán)受力的關(guān)系繪制在同一個(gè)時(shí)間軸上(圖14(a))，時(shí)間軸的“零”點(diǎn)重新設(shè)定，預(yù)緊期約為0.02s，消除間隙期約為0.04s。

圖14(b)為定位環(huán)和定向鈕x向受力曲線。由該圖可知，t3時(shí)刻前，定位環(huán)的受力規(guī)律與定向鈕稍有不同，沒(méi)有出現(xiàn)3.1節(jié)結(jié)論1) 中的響應(yīng)滯后；而t3→t9時(shí)段二者的受力規(guī)律比較一致。定向鈕擺脫約束后，也即t9時(shí)刻后，定位環(huán)上的x向載荷呈振蕩衰減，值在1kN以下，振蕩頻率約為2kHz。

圖14 定位環(huán)受力分析

3.4 預(yù)緊螺母受力分析

預(yù)緊螺母受力歷程見(jiàn)圖15，當(dāng)單邊預(yù)緊量達(dá)到3mm時(shí)，時(shí)間約為圖15中的t=-14ms處，此時(shí)預(yù)緊力約為4623.7N。在消除間隙期間，該力大小稍有波動(dòng)。t≤7.1ms時(shí)，定向鈕剛開(kāi)始與閉鎖體接觸，閉鎖體的變形量還未發(fā)生變化，螺母受力較為平滑，在y方向受力約為4kN。隨后定向鈕逐漸掙脫閉鎖，閉鎖體開(kāi)始變形，螺母受力逐漸增大，在t=16.4ms時(shí)，閉鎖體變形量最大，螺母的受力也達(dá)到極大值，約為9228.68N。t9時(shí)刻后，閉鎖體由于變形回復(fù)，兩閉鎖體在前端重新接觸發(fā)生碰撞和震蕩(可參見(jiàn)3.2節(jié)和圖8(d))，此階段螺母受力達(dá)到y(tǒng)向17720.0N的最大瞬態(tài)力。0.03s以后閉鎖體的震蕩逐漸減小，直至最后回復(fù)到預(yù)緊結(jié)束時(shí)狀態(tài)。

圖15 預(yù)緊螺母y向受力分析

4 閉鎖機(jī)構(gòu)的性能

已有的研究均賦予閉鎖力一固定值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力小于該值時(shí)，定向鈕上存在閉鎖力不能運(yùn)動(dòng)；推力大于該值時(shí)，閉鎖力消失，定向鈕開(kāi)始運(yùn)動(dòng)[5]。然而，由仿真結(jié)果分析可知，定向鈕自發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力時(shí)就開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，也即火箭彈自點(diǎn)火開(kāi)始即處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而非推力大于某力值時(shí)才解脫閉鎖開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。該現(xiàn)象似乎與傳統(tǒng)的閉鎖力定義及其作用過(guò)程不相符。因此，再次理解閉鎖過(guò)程及閉鎖力概念成為必要。

由3.1、3.2節(jié)分析可知，火箭彈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后處于一個(gè)振蕩期，在此期間，火箭彈也并未掙脫閉鎖機(jī)構(gòu)的約束。當(dāng)?shù)竭_(dá)某時(shí)刻(如t3)時(shí)，火箭彈的位移和速度開(kāi)始單調(diào)增長(zhǎng)，閉鎖體開(kāi)口持續(xù)增大，直至定向鈕脫離閉鎖體約束。因此，t3可視為火箭彈的開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，但是該時(shí)刻定向鈕受到的約束力仍大于火箭彈推力，說(shuō)明定向鈕與閉鎖體間的瞬態(tài)作用過(guò)程尚未結(jié)束。

綜合仿真和分析，可認(rèn)為，閉鎖力應(yīng)為定向鈕穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到火箭彈設(shè)計(jì)初速1%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，該時(shí)刻即為閉鎖解脫時(shí)刻。將計(jì)算結(jié)果列于表3，插值表中數(shù)據(jù)，可得定向鈕運(yùn)動(dòng)速度vd達(dá)到1%火箭彈設(shè)計(jì)初速的時(shí)間td=10.46ms，位移為1.86mm，x向受力為-8816.82N，閉鎖力為9153.53N。文中計(jì)算對(duì)象火箭彈的初速v0為50m/s，該產(chǎn)品閉鎖體兩端預(yù)緊螺母的預(yù)緊量為3mm時(shí)，閉鎖力定值為6kN，可見(jiàn)該值與計(jì)算值9153.53N相差較大?？赡苁钱a(chǎn)品的閉鎖力僅由實(shí)驗(yàn)測(cè)量，未經(jīng)詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析，見(jiàn)據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)閉鎖力的不足，動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。

表3 定向鈕運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

前述可知，閉鎖機(jī)構(gòu)的作用是減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力的隨機(jī)誤差和火箭彈的初速散布，提高火箭彈射擊密集度。因此，火箭彈的開(kāi)始移動(dòng)速度vd的散差越小，vd越穩(wěn)定，則閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖性能就越好。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在誤差時(shí)，通過(guò)優(yōu)化閉鎖體結(jié)構(gòu)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力與vd的一致性。例如，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力誤差達(dá)1%，vd誤差為5%，則相應(yīng)的推力應(yīng)該為6000N，才能確保連續(xù)射擊時(shí)每發(fā)火箭彈的初速v0一致。當(dāng)然，這種做法會(huì)導(dǎo)致火箭彈不能同時(shí)離軌，但其到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)僅相差幾十毫秒，對(duì)于常規(guī)火箭武器來(lái)說(shuō)是可以接受的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，可得出如下結(jié)論：

a) 在火箭彈閉鎖過(guò)程中，點(diǎn)火后幾十毫秒內(nèi)定向鈕與閉鎖體間存在強(qiáng)烈的瞬態(tài)載荷作用，載荷甚至大于同時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力，如某火箭彈的瞬態(tài)撞擊載荷可達(dá)其最大推力的1/3；受裝配間隙影響，定向鈕與閉鎖體間的往復(fù)撞擊強(qiáng)烈；

b) 對(duì)含閉鎖機(jī)構(gòu)的發(fā)射系統(tǒng)，宜采用瞬態(tài)力學(xué)方法研究閉鎖體與定向鈕間的相互作用，具體方法有：1) 單獨(dú)研究閉鎖機(jī)構(gòu)的作用過(guò)程，提取各部分載荷隨時(shí)間變化曲線，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)將其作為外部載荷加入；2) 將閉鎖機(jī)構(gòu)納入動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)，與發(fā)射裝置等作為一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)分析。筆者認(rèn)為方法2) 更優(yōu)；

c)造成閉鎖體與定向鈕間瞬態(tài)撞擊的主要因素是閉鎖體與定向鈕間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(如閉鎖體的變形響應(yīng))和二者間的間隙，前者的作用尤其明顯。可通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選擇來(lái)降低撞擊載荷，通過(guò)控制加工誤差和裝配誤差來(lái)消除間隙。

閉鎖機(jī)構(gòu)工作過(guò)程的瞬態(tài)力學(xué)現(xiàn)象對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的起始擾動(dòng)等有著重要影響，傳統(tǒng)的閉鎖力處理方式掩蓋了發(fā)射裝置的真實(shí)振動(dòng)細(xì)節(jié)，造成起始擾動(dòng)計(jì)算結(jié)果不真實(shí)。文中研究結(jié)果可為以后在閉鎖機(jī)構(gòu)方面的研究，提供一定的借鑒意義。

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Transient Dynamics Analysis of Working Period of Rocket Locking Mechanism

SONG Shihao ,LI Jun,SONG Shuangjing ,LU Xiaoguang，F(xiàn)ANG Jiuru

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Locking mechanism, which provides locking force at the initial stage of the launch, ensures rocket bombs for consistent offtrack velocity in the continuous firing. Based on the transient dynamic analysis method, this paper studies the locking mechanism of a certain rocket launch system and gives out a reasonable and effective solution plan. The calculation results show the stress, deformation and dynamic response of some components, including the directional button, retaining ring and locking device. The research result shows that the load between the locking mechanism and rocket bomb is characteristic of obvious transient. The load frequency of directional button and retaining ring can reach as much as 2 kHz and it can seriously have influence on the rocket launch device and rocket initial disturbance.

rocket; transient impact; locking mechanism; locking force; rocket launcher; dynamics simulation

宋時(shí)浩(1988-) ，男，山東日照人，碩士研究生,研究領(lǐng)域：發(fā)射動(dòng)力學(xué)。

TJ393

B

1671-5276(2015)05-0040-06

2014-03-02