姜 勇，楊 全，樂貴高，陳學(xué)義

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

0 引言

閉鎖擋彈器作為定向器的一個(gè)重要組成部分，其作用是在發(fā)射前和載彈行軍時(shí)將火箭彈可靠的固定在定向器的一定位置上，以防止火箭彈由于重力、燃?xì)饬髯饔昧Α⒄駝?dòng)慣性力等作用而產(chǎn)生移動(dòng)、跳動(dòng)甚至脫落掉彈，保證火箭彈與點(diǎn)火裝置良好接觸，并在發(fā)射時(shí)提供一定的閉鎖力[1]。由于閉鎖力的大小直接關(guān)系到行軍、射擊的安全性和火箭彈射擊密集度，因此閉鎖擋彈器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要問題是確定閉鎖力的大小。

目前火箭發(fā)射裝置采用的閉鎖擋彈器有三種基本形式：彈／卡簧式閉鎖器、摩擦式閉鎖器和杠桿式閉鎖器，具體的選取應(yīng)根據(jù)火箭彈和發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)來確定[1]。文中以卡簧式閉鎖器為例，對(duì)某火箭炮閉鎖器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析。針對(duì)該火箭炮特點(diǎn)確定閉鎖器的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，分析不同預(yù)緊量下閉鎖器的約束力和不同卡簧厚度下閉鎖器的約束力，并且研究了閉鎖力對(duì)火箭炮動(dòng)態(tài)特性影響。最終確定該火箭炮閉鎖器的結(jié)構(gòu)尺寸。

1 閉鎖力的確定

設(shè)火箭發(fā)射裝置行駛在坡度度為零的道路上，在鉛垂線振動(dòng)和縱向角振動(dòng)存在的情況下進(jìn)行制動(dòng)。以位于發(fā)射裝置縱對(duì)稱平面內(nèi)的火箭彈為研究對(duì)象，火箭彈受力如圖1所示。忽略摩擦力時(shí)，彈所受的實(shí)際力有：重力G；閉鎖力Fb，它平行于彈軸ξ；定向器對(duì)彈定心部的支反力的合力FN，它垂直于彈軸ξ。圖中o′為火箭彈質(zhì)心，l′o＝o′cb，θo＋η為行軍時(shí)定向器軸線x1（它與彈軸ξ重合）的仰角，而θo為行軍固定狀態(tài)（靜態(tài)）定向器軸線的仰角。

應(yīng)用動(dòng)靜法，得各力在彈軸ξ上投影的平衡方程：

圖1 確定閉鎖力示意圖

對(duì)于輪式自行火箭發(fā)射裝置，η··的最大值9～13rad／s2；在坡度角等于零的情況下，ax的最大值0.8g。因此在此情況下火箭彈出現(xiàn)最大慣性力時(shí)所需的閉鎖力為：

根據(jù)上邊的理論公式可初步確定該火箭炮所需的閉鎖力為1500N。

2 卡簧式閉鎖器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在行軍制動(dòng)時(shí)的慣性力、燃?xì)饬髯饔昧皬椫亓Φ茸饔孟率够鸺龔椧苿?dòng)并帶動(dòng)定向鈕作用在閉鎖器上，卡簧片的彈力須抵消這些作用力以保證火箭彈的安全性。點(diǎn)火后，在火箭彈定向鈕作用下，迫使卡簧張開，火箭彈掙脫閉鎖器的約束而發(fā)射出去?？ɑ墒介]鎖器的平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卡簧閉鎖器結(jié)構(gòu)

為了更好的確定該火箭炮閉鎖擋彈器結(jié)構(gòu)尺寸，參考原有火箭炮閉鎖器結(jié)構(gòu)尺寸和該火箭炮特點(diǎn)初步確定該火箭炮閉鎖器部分結(jié)構(gòu)尺寸（如表1所示）；再根據(jù)某火箭炮所受的閉鎖力計(jì)算出卡簧片的厚度。其中r1和r2分別為卡簧和定向鈕相接觸的工作面圓弧和定向鈕半徑；h1和l1為給定點(diǎn)位置長度；b1為卡簧截面寬度；α1為斜面角。

表1 閉鎖器部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（單位mm）

圖3 卡簧寬度變化示意圖

起始瞬間楔入角β0為：

l1的變化量很微小，因此取平均值lav代替l1。

卡簧端部截面寬度變化參數(shù)（如圖3所示）：

閉鎖器的結(jié)構(gòu)參數(shù)H、B：

卡簧厚度：

取預(yù)緊撓度y0＝3mm、f＝0.15；根據(jù)上述理論公式可以得出卡簧的厚度δ為4.1mm。但上述應(yīng)用理論所計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)參數(shù)只能作為初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，而不能確定閉鎖器的最終結(jié)構(gòu)尺寸。以往是通過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)修改閉鎖器結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真軟件的發(fā)展，現(xiàn)在可以通過計(jì)算機(jī)仿真來設(shè)計(jì)和校核。

3 閉鎖器非線性動(dòng)力學(xué)有限元分析

為了建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，首先根據(jù)所設(shè)計(jì)的閉鎖器結(jié)構(gòu)參數(shù)用SolidWorks軟件建立該卡簧閉鎖器三維實(shí)體模型。然后利用ABAQUS軟件采用減縮積分實(shí)體單元（C3D8R）對(duì)該火箭炮進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖4所示。另外，在設(shè)置火箭彈發(fā)射分析步之前要保證定向鈕與閉鎖器預(yù)接觸，否則在火箭推力作用下很小的簡隙都會(huì)使定向鈕與閉鎖器相碰撞而發(fā)生振蕩，這樣會(huì)導(dǎo)制起始段模擬計(jì)算不準(zhǔn)確。所以在施加火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力前，建立了分析步來使定向鈕與卡簧之間產(chǎn)生接觸?；趧?dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用顯式時(shí)間積分算法對(duì)所建模型進(jìn)行仿真分析。

圖4 閉鎖器網(wǎng)格模型

3.1 在不同卡簧厚度下的閉鎖力分析

利用所建立的有限元模型，取預(yù)緊量y0為2mm，分別對(duì)五種不同厚度δ的卡簧閉鎖器進(jìn)行仿真分析，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同厚度下閉鎖器的閉鎖力

3.2 不同預(yù)緊量下的閉鎖力分析

同樣利用所建立的有限元模型，取卡簧厚度δ為4.1mm的閉鎖器，分別對(duì)六種不同的預(yù)緊量y0的情況進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同預(yù)緊量下閉鎖器的閉鎖力

在不同卡簧厚度和不同預(yù)緊量的各種情況下，閉鎖力的變化趨勢大致相同。以卡簧厚度為4.1mm、預(yù)緊量y0為2mm情況為例，閉鎖力的變化規(guī)律和定向鈕掙脫閉鎖器約束分別如圖5、圖6所示。

圖5 閉鎖力曲線

圖6 定向鈕掙脫閉鎖器示意圖

分析以上圖表可得，在定向鈕掙脫閉鎖器約束的瞬間，閉鎖器上的約束力突然增加；但這不能代表閉鎖器的有效閉鎖力。因?yàn)槎ㄏ蜮o掙脫閉鎖器約束的瞬間屬于臨界時(shí)刻，可設(shè)定這時(shí)刻的閉鎖力是閉鎖器的最大約束力。在這個(gè)時(shí)刻之前火箭彈在彈軸方向上發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬魍屏烷]鎖力的合力接近于零，可認(rèn)為是有效閉鎖力。由表2～表3可知閉鎖力隨著預(yù)緊量和卡簧厚度增加而增大。厚度增加0.1mm，閉鎖力增加179.25N；預(yù)緊量增加0.1mm，閉鎖力力增加63.92N。因此可知閉鎖力對(duì)預(yù)緊量的敏感度低于卡簧厚度。

4 閉鎖力對(duì)火箭炮動(dòng)態(tài)特性影響研究

建立該火箭炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，選定卡簧厚度為4.1mm閉鎖器并將其合理地裝配在定向裝置上。不考慮火箭彈質(zhì)量偏心和推力偏心因素，射角為50°，閉鎖器取四種不同預(yù)緊量情況下對(duì)火箭炮進(jìn)行仿真分析，所得火箭炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如表4所示。

表4 不同閉鎖力火箭炮的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果

在點(diǎn)火發(fā)射之前，對(duì)閉鎖器加上一定預(yù)緊量，經(jīng)歷一個(gè)發(fā)射周期，其閉鎖器取1mm、1.5mm、2mm、2.5mm的預(yù)緊量時(shí)定向管口振動(dòng)位移曲線如圖7～圖10所示。在閉鎖力不同的情況下，前6ms定向管口振動(dòng)位移只有細(xì)微的不同，因?yàn)殚]鎖器的突加力對(duì)重達(dá)幾噸的發(fā)射裝置產(chǎn)生的影響會(huì)很?。灰虼嗽趶?qiáng)大的燃?xì)饬髯饔孟?，炮口的振?dòng)位移曲線幾乎一致。因此可知燃?xì)饬鳑_擊力對(duì)火箭炮振動(dòng)響應(yīng)的影響比閉鎖力所產(chǎn)生的影響大得多。在燃?xì)饬鳑_擊力作用完之后，發(fā)射裝置處于自由振動(dòng)狀態(tài)，它們的最大振幅出現(xiàn)了較小的差異，這種差異在后續(xù)發(fā)射過程中將會(huì)擴(kuò)大。

圖7 偏航方向角位移

圖8 俯仰方向角位移

圖9 偏航方向線位移

圖10 俯仰方向線位移

通過上述四種不同閉鎖力作用下的發(fā)射過程的仿真分析，可知閉鎖力對(duì)發(fā)射裝置振動(dòng)影響并不明顯。因?yàn)殚]鎖器所產(chǎn)生的力相對(duì)燃?xì)饬?、火箭彈推力和系統(tǒng)重力較小，閉鎖力相對(duì)小，作用時(shí)間短，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)影響不大。在滿足火箭彈出定向管口的線速度、角速度和行軍安全性等要求下，應(yīng)使閉鎖力小一些。因此該火箭炮應(yīng)該選擇卡簧厚度4.1mm、預(yù)緊量2mm的閉鎖器。

5 結(jié)論

通過建立卡簧式閉鎖擋彈器動(dòng)力學(xué)模型，仿真研究了預(yù)緊量和卡簧厚度變化對(duì)閉鎖器力學(xué)特性的影響規(guī)律，并分析了火箭炮在不同閉鎖力情況下火箭炮發(fā)射裝置動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，通過對(duì)比分析得到了適合該火箭炮的閉鎖擋彈器。從而得出如下結(jié)論：

1）卡簧式閉鎖器所提供的閉鎖力隨卡簧厚度和預(yù)緊量的增加而增大，但可知閉鎖力對(duì)預(yù)緊量的敏感度低于卡簧厚度；

2）卡簧式閉鎖器產(chǎn)生的閉鎖力很不穩(wěn)定，實(shí)際值跳動(dòng)很大，因此不能以閉鎖擋彈器的最大約束力作為有效閉鎖力，應(yīng)該把約束力跳動(dòng)之前的穩(wěn)定值作為有效閉鎖力；

3）火箭彈出定向管口的時(shí)間、速度和角速度都隨閉鎖力的增大而減小，并且前6ms定向管口的振動(dòng)位移在不同的閉鎖力情況下變化很小，但是在燃?xì)饬髯饔猛曛笏鼈兊恼穹霈F(xiàn)了較小的差異；

4）閉鎖力對(duì)發(fā)射裝置并不明顯。因?yàn)殚]鎖器所產(chǎn)生的力相對(duì)燃?xì)饬?、火箭彈推力和系統(tǒng)重力較小，閉鎖力相對(duì)小，作用時(shí)間短，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)影響不大。

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