一種彈體膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真方法

摘 要：在傳統(tǒng)彈體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到定型過程中，為減少加工、試驗(yàn)及人力等成本，針對(duì)某彈體在方案階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種彈體膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真方法。對(duì)某彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS模擬彈體在膛內(nèi)的環(huán)境作用力后，實(shí)現(xiàn)該種方案結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真，為指導(dǎo)后續(xù)各階段設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：彈體；動(dòng)力學(xué)；仿真

中圖分類號(hào)：TJ410文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

彈體在火炮膛內(nèi)實(shí)際發(fā)射過程中，往往較難測得彈體的轉(zhuǎn)速，并且從零件設(shè)計(jì)、制造開始到完成一次發(fā)射試驗(yàn)需要耗費(fèi)較大的人力、物力和財(cái)力。本文針對(duì)某彈體在方案階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種彈體膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真方法。仿真在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)上的應(yīng)用從成本、效率、良性循環(huán)設(shè)計(jì)等根本上改變了以往單純靠物理試驗(yàn)和計(jì)算進(jìn)行測試的工作模式，使仿真工作具有了經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可重復(fù)性。[1～2]

ADAMS彈體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

首先建立彈體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，將整個(gè)彈體結(jié)構(gòu)簡化為三大部分：主動(dòng)部分、隨動(dòng)部分及鋼珠，如圖1所示。彈體在膛內(nèi)發(fā)射過程中，在火藥燃燒作用力下，彈體主動(dòng)部分上的彈帶擠進(jìn)膛線并推動(dòng)彈體沿膛線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著彈體主動(dòng)部分的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其隨動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)。簡化結(jié)構(gòu)中，鋼珠主要起軸承作用，最終實(shí)現(xiàn)彈體隨動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速小于主動(dòng)部分，并考察驗(yàn)證彈體隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速與主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速的比值。在Pro/e中進(jìn)行三維模型建立，保存為.x_t格式，再將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，進(jìn)行相關(guān)約束、接觸、力、運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)及質(zhì)量屬性等參數(shù)設(shè)置，其中對(duì)彈體在膛內(nèi)的各種環(huán)境作用力的簡化和模擬的設(shè)置較為重要。

ADAMS仿真驗(yàn)證過程及結(jié)果

2. 從彈體開始發(fā)射到彈體出炮口階段

在此階段，設(shè)置仿真作用時(shí)間10ms，在彈體主動(dòng)部分加Motion驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)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(dòng)部分帶動(dòng)下，彈體隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速ω2由0加速至3.35×106d/s。彈體隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速與主動(dòng)部分轉(zhuǎn)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(dòng)部分的Motion失效，添加設(shè)置作用在主動(dòng)和隨動(dòng)部分上與彈體轉(zhuǎn)速方向相反的取自彈體在固定馬赫數(shù)下對(duì)應(yīng)的極阻尼力矩（彈體在自由飛行階段的速度實(shí)際是不斷變化的，本仿真取固定馬赫數(shù)做出簡化），并對(duì)彈體主動(dòng)部分設(shè)置初始條件為轉(zhuǎn)速ω1，對(duì)彈體隨動(dòng)部分設(shè)置初始條件為轉(zhuǎn)速ω2。仿真運(yùn)行至0.01s時(shí)，主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速由ω1減小至ω3≈1.04×107d/s，之后轉(zhuǎn)速開始反向并增大，仿真曲線如圖3所示；在軟件運(yùn)行至0.00375s時(shí)，隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速由ω2減小至0，軟件運(yùn)行到0.01s時(shí)，隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速同向增大至ω4≈2.35×106d/s，之后轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)減小與增大的波動(dòng)。在0.01s時(shí)，隨動(dòng)部分轉(zhuǎn)速ω4與主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速ω3之比為ω4/ω3=0.226<0.25，ω3與ω4方向相反。

3 結(jié)語

通過本文仿真，該彈體結(jié)構(gòu)方案可以實(shí)現(xiàn)減小彈體隨動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速，考慮彈體實(shí)際尺寸及確定彈體主動(dòng)部分與隨動(dòng)部分的聯(lián)接方案，及在隨動(dòng)部分開槽或者添加減速舵片，并對(duì)其進(jìn)行Fluent飛行動(dòng)力仿真，算出彈體相關(guān)氣動(dòng)力等參數(shù)，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行完善，可取得較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，為后續(xù)各階段彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙東新，劉明杰.引信兩種典型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真測試[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，12（2）：486-491.

[2]王力，曹紅松，張會(huì)鎖，等.一種典型機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真測試方法[J].機(jī)電技術(shù)，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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與材料檢測。