張 潔，倪晉平，夏洪利，馬 群，陳 誠

（1．西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021；2．中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，華陰714200）

火箭橇是以火箭發(fā)動機(jī)為動力沿專門建造的地面滑軌高速滑行的地面測試設(shè)備，是解決武器系統(tǒng)有關(guān)速度、加速度的地面試驗系統(tǒng)［1-3］．導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效果的試驗驗證和考核是火箭橇試驗最重要的領(lǐng)域之一．為了精確模擬導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的終點(diǎn)毀傷效果，要求戰(zhàn)斗部單獨(dú)作用靶標(biāo)，需要在著靶前將戰(zhàn)斗部與火箭橇車分離，并使兩者間距迅速增加，避免橇車與戰(zhàn)斗部同時間或者同位置作用靶標(biāo)，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響．這就對戰(zhàn)斗部火箭橇試驗終點(diǎn)彈車分離技術(shù)提出了要求．根據(jù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效果火箭橇試驗方法和技術(shù)流程，彈車分離技術(shù)分為兩個方面：①戰(zhàn)斗部與橇車從連接固定形式分離，使兩者從一個整體分成兩個整體；②戰(zhàn)斗部與橇車空間距離迅速增加，使橇車無法干擾戰(zhàn)斗部的飛行姿態(tài)，保證戰(zhàn)斗部單獨(dú)撞擊靶標(biāo)．

戰(zhàn)斗部與橇車的解鎖分離主要是通過爆炸分離裝置實(shí)現(xiàn)；戰(zhàn)斗部與橇車空間距離迅速增加主要是通過戰(zhàn)斗部與火箭橇在航向上拉開距離實(shí)現(xiàn)．目前，國內(nèi)外常用的兩種較為成熟的方法是水剎車和碰撞攔截．水剎車是應(yīng)用動量互換原理［4］，在戰(zhàn)斗部與橇車分離后，利用橇車上安裝的剎車裝置及布設(shè)在分離點(diǎn)后的剎車系統(tǒng)使橇車減速，達(dá)到彈車分離的目的；碰撞攔截是在滑軌終點(diǎn)位置的地面上設(shè)置碰撞攔截系統(tǒng)，使橇車與碰撞攔截系統(tǒng)發(fā)生碰撞，將橇車攔截住，達(dá)到彈車分離的目的．因為水剎車需要一定的剎車距離，需要在距離終點(diǎn)較遠(yuǎn)處釋放戰(zhàn)斗部，這對保持戰(zhàn)斗部的速度和姿態(tài)等帶來很大的困難，所以在試驗中多使用碰撞攔截分離方法．但是，對于結(jié)構(gòu)緊湊、體型小巧的橇車，利用現(xiàn)有方法無法實(shí)現(xiàn)彈車分離．因此，針對這類橇車的彈車分離，本文對彎曲滑軌在火箭橇試驗彈車分離中的應(yīng)用展開了研究．

1 彎曲滑軌彈車分離方法

在一些試驗中，所用的試驗件是等比縮小的模擬件，該類試驗件體積小、質(zhì)量輕，試驗所使用的橇車體型較小、結(jié)構(gòu)緊湊．由于該類橇車的空間緊湊性，為了防止戰(zhàn)斗部釋放后撞擊到碰撞攔截系統(tǒng)，不允許通過預(yù)置碰撞攔截系統(tǒng)的方式攔截橇車，這就對火箭橇試驗終點(diǎn)彈車分離方式提出新的設(shè)計要求．本文提出了通過在豎向（即高低方向）上拉開的距離，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部單獨(dú)作用靶標(biāo)的方案，通過研究，這種方案具有可行性．當(dāng)火箭橇運(yùn)行到滑軌終端時，戰(zhàn)斗部與橇車之間解除約束，戰(zhàn)斗部在空氣動力作用下慣性飛行，而火箭橇車則需要進(jìn)入特定裝置，實(shí)現(xiàn)橇車與戰(zhàn)斗部在高低方向上拉開距離，該特定裝置為彎曲滑軌，如圖1所示．

圖1 彎曲滑軌彈車分離方法Fig．1 The method of missile-vehicle separation by curved railway track

2 彎曲滑軌的設(shè)計

彎曲滑軌就是起點(diǎn)與水平滑軌相切，并按照一定曲率半徑折彎，引導(dǎo)橇車偏移靶標(biāo)的一段特殊滑軌．彎曲滑軌設(shè)計的重點(diǎn)是滑軌的曲率半徑設(shè)計和動響應(yīng)分析．

2．1 彎曲滑軌半徑設(shè)計

在彎曲滑軌彈車分離過程中，彈車分離裝置所受到的力主要來自橇車在彎曲滑軌上滑行時的振動過載以及橇車的離心力作用．橇車在彎曲滑軌上滑行時的振動過載與滑軌彎曲半徑?jīng)]有必然關(guān)系，因此在彎曲滑軌半徑設(shè)計時需要考慮橇車的離心力作用．離心力計算公式為

式中：M為橇車質(zhì)量；V為橇車在彎曲滑軌上的滑動速度；R為彎曲滑軌彎曲半徑．

已知彎曲滑軌在法線方向上所能承受的許用作用力為［F］，則

同時，橇車通過在彎曲滑軌的約束滑行，目的是為了使試驗件單獨(dú)作用于靶標(biāo)，橇車無法撞擊靶標(biāo)，如圖2所示．

圖2 彎曲滑軌半徑計算示意圖Fig．2 Schematic diagram for calculation of curved railway track radius

火箭橇試驗中靶標(biāo)距滑軌終端距離遠(yuǎn)大于靶底距滑軌平面高度，即H?L；另外，為減小彎曲滑軌所承受的離心力，其曲率半徑一般設(shè)計很大，可認(rèn)為Hcosα≈H，得出R的表達(dá)式為

根據(jù)彈車分離目的和要求，實(shí)際設(shè)計時應(yīng)該為

綜上所述，根據(jù)式（2）和式（4）可以得出彎曲滑軌半徑的取值范圍為

如某型火箭橇試驗，橇車質(zhì)量為50kg，分離時速度為200m·s-1，彎曲滑軌在法線方向上所能承受的許用作用力為2．0×105N，靶標(biāo)距軌道終點(diǎn)距離為4m，滑軌軌面與靶標(biāo)下表面間距為0．7m．根據(jù)已知條件，計算可得彎曲滑軌半徑的取值范圍為10m＜R＜11．1m，綜合考慮彎曲滑軌的受力能力和彈車分離的目的，可以設(shè)計彎曲滑軌半徑為11m．

2．2 彎曲滑軌動響應(yīng)分析

設(shè)計的彎曲滑軌還要進(jìn)行強(qiáng)度校核計算．以某戰(zhàn)斗部火箭橇試驗為例，通過強(qiáng)度校核確定彎曲滑軌能否完成在特定速度條件下彈車分離．橇車在彎曲滑軌上的運(yùn)動是一個復(fù)雜的過程，現(xiàn)階段還沒有理論公式或經(jīng)驗公式來支持彎曲滑軌的強(qiáng)度效核，只能通過軟件對其進(jìn)行仿真分析．主要分析橇車在通過彎曲滑軌時對滑軌的摩擦和擠壓是否超過了滑軌材料的應(yīng)力極限［5-7］．本文將采用 ANSYS LS／DYNA對其進(jìn)行剛強(qiáng)度和變形分析．

對彎曲滑軌進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析時，首先將橇車建立為剛體，賦予橇車質(zhì)量；滑軌建立為彈塑性體，賦予材料屬性．對分析實(shí)體劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格劃分是有限元前處理的關(guān)鍵技術(shù)，使用全自動網(wǎng)格劃分只能實(shí)現(xiàn)四面體網(wǎng)格的劃分，但六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格相比具有單元數(shù)少、計算效率高、計算精度好等數(shù)值優(yōu)勢［8-9］．因此，需要盡可能將仿真分析的幾何對象劃分成六面體網(wǎng)格．以某火箭橇試驗彈車分離模型為例，在網(wǎng)格劃分時采用體掃掠法完成六面體單元網(wǎng)格的生成，將分析對象實(shí)體盡可能的分成規(guī)則的幾何部分，并使劃分后的不同部分接觸面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，網(wǎng)格劃分如圖3所示．

網(wǎng)格劃分后，對滑軌底面進(jìn)行固定約束，將火箭橇車和滑軌之間設(shè)置為自動接觸，并給予火箭橇車一定的滑行速度V，進(jìn)行仿真分析．在分析橇車與滑軌運(yùn)動過程中，由于橇車滑靴運(yùn)動與滑軌相互摩擦和沖擊，會產(chǎn)生許多變形較大的應(yīng)力點(diǎn)．根據(jù)仿真結(jié)果，將滑軌上4個應(yīng)變最大區(qū)域的單元截面進(jìn)行重點(diǎn)分析．

圖3 仿真實(shí)體六面體網(wǎng)格劃分Fig．3 Hexahedral mesh generation of simulation entity

滑軌所用材料為高強(qiáng)度合金鋼，其抗壓強(qiáng)度為1．57×109Pa，破壞強(qiáng)度為4．0×109Pa．當(dāng)滑軌所受應(yīng)力σ大于1．57×109Pa時，滑軌會發(fā)生扭曲變形；當(dāng)滑軌所受應(yīng)力σ大于4．0×109Pa時，材料強(qiáng)度失效，滑軌會發(fā)生破壞、斷裂等現(xiàn)象．

1）t＝0．001 7s時的滑軌應(yīng)力如圖4所示．由圖4可知，在0．001 7s時所選A區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，有80%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有不到10個單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這10個單元已經(jīng)破壞失效，但滑軌整體不會受到影響．

圖4 t＝0．001 7s時的滑軌應(yīng)力Fig．4 The stress of railway track at t＝0．001 7s

2）t＝0．002 3s時滑軌應(yīng)力如圖5所示．由圖5可知，在0．002 3s時所選B區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，但有90%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有4個單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這4個單元已經(jīng)失效，但彎曲滑軌整體不會破壞．

圖5 t＝0．002 3s時的滑軌應(yīng)力Fig．5 The stress of railway track at t＝0．002 3s

3）t＝0．003 9s時的滑軌應(yīng)力如圖6所示．

圖6 t＝0．003 9s時的滑軌應(yīng)力Fig．6 The stress of railway track at t＝0．003 9s

由圖6可知，在0．003 9s時所選C區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，有90%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有2個單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這2個單元已失效，滑軌整體不會破壞．

4）t＝0．004s時的滑軌應(yīng)力如圖7所示．由圖7可知，在0．004s時所選D區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，但有85%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有不到10個單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這些單元已經(jīng)失效，但滑軌整體不會破壞．

圖7 t＝0．004s時的滑軌應(yīng)力Fig．7 The stress of railway track at t＝0．004s

橇車在彎曲滑軌上滑動時，需要考慮滑軌是否會發(fā)生破壞及其變形情況，圖8為在滑軌上選取4個最大位移點(diǎn)的X、Y和Z三個方向的位移（s）-時間（t）歷程圖，由仿真結(jié)果可以看出，滑軌在三個方向上的位移均未超過0．5mm，說明在整個運(yùn)動過程中，滑軌上端面的變形較小，可以忽略不計．

圖8 彎曲滑軌不同點(diǎn)位移變化情況圖Fig．8 The map of displacement changes in different regions on curved railway track

經(jīng)過彎曲滑軌運(yùn)動學(xué)仿真分析可知，此模型中的彎曲滑軌設(shè)計合理，能夠滿足在此橇車質(zhì)量范圍和本試驗速度范圍內(nèi)火箭橇試驗的彈車分離．

3 結(jié) 論

本文提出在垂直滑軌方向上實(shí)現(xiàn)彈車分離的方案，并對彎曲滑軌參數(shù)設(shè)計進(jìn)行研究，使火箭橇車在彎曲滑軌上限位滑行，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部與橇車的分離．通過對某型火箭橇試驗使用彎曲滑軌彈車分離進(jìn)行仿真計算，得出結(jié)論為

1）彎曲滑軌能夠滿足某型火箭橇試驗彈車分離需求．

2）使用彎曲滑軌實(shí)現(xiàn)彈車分離對試驗橇車的質(zhì)量和試驗速度有一定的要求，受到滑軌材料力學(xué)性能的限制，橇車質(zhì)量過高或試驗速度過快可能導(dǎo)致彎曲滑軌發(fā)生斷裂，無法實(shí)現(xiàn)彈車分離．

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