楊添元,李東光,張 驄,史永慧

(北京理工大學(xué), 北京 100081)

0 引言

柵格舵作為一種新型的升力面,相比于傳統(tǒng)鴨舵,有自身獨(dú)特的優(yōu)勢：柵格舵面產(chǎn)生的升力大,它能在總體積比較小的情況下獲得相比單面翼更大的翼總面積,其尺寸相比單面翼小、重量輕、翼弦短,能夠采用較小的作動(dòng)系統(tǒng),占用更小的引信空間。但是,柵格舵由于自身尺寸較小,舵片的厚度較薄,在工作過程中能否不發(fā)生形變,到位之后能否鎖死,都是確保其執(zhí)行修正能否順利完成的關(guān)鍵因素。國內(nèi)許多學(xué)者對折疊翼的展開過程作了大量深入研究[1-4],柵格舵機(jī)構(gòu)的主要性能指標(biāo)包括展開時(shí)間、展開到位后的沖擊載荷,鎖死機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性等,這些指標(biāo)直接影響了炮彈的飛行狀況,從而決定了是否能完成預(yù)定任務(wù)。

文中以某二維修正引信的柵格修正舵為研究對象,建立三維模型,計(jì)算出舵片在飛行過程中展開所受到的氣動(dòng)力,導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件中進(jìn)行展開過程運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,最后對其進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

1 展開機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)

折疊翼為柵格舵片形式,展開機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足如下指標(biāo)：

1)展開過程時(shí)間小于100 ms；

2)展開到位角度為90°；

3)展開到位后鎖定機(jī)構(gòu)能夠迅速完成鎖死,無回彈,振動(dòng)在可接受范圍內(nèi);

4)展開過程中舵片強(qiáng)度安全結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

2 展開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理及動(dòng)力學(xué)模型

2.1 結(jié)構(gòu)原理

折疊翼機(jī)構(gòu)如圖1所示,包括柵格舵片、扭簧、爆炸箍、鎖死裝置、緩沖裝置等部分。在舵片展開前,由爆炸箍環(huán)將舵片收束在引信體表面的凹槽中。在接收到指令后引爆箍環(huán),柵格舵片在扭簧與迎面氣流的共同驅(qū)動(dòng)下完成展開動(dòng)作。在展開到指定位置后,由鎖定裝置彈出鎖定銷將舵片鎖定在指定位置。

圖1 結(jié)構(gòu)原理

2.2 動(dòng)力學(xué)模型

對于折疊翼展開過程,將舵片視為剛體,暫不考慮其彈性變形,根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理,有：

(1)

式中：j為柵格舵片繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為舵片展開的角度；扭簧扭矩：

Mt=k(φ0-θ)

(2)

彈體自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力力矩:

(3)

式中：ω為彈體自身轉(zhuǎn)速。Μa為舵片法向上空氣阻力所產(chǎn)生的阻力力矩,這里利用FLUENT對舵片進(jìn)行氣動(dòng)仿真,在0.8Ma下得出不同角度下的值。摩擦力矩Mf包括舵片上空氣產(chǎn)生的摩擦力矩,舵片根部轉(zhuǎn)軸處構(gòu)件間的摩擦力等,在仿真軟件中通過定義來實(shí)現(xiàn)。建立該方程為后期仿真的基礎(chǔ)。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 仿真模型

用INVENTOR設(shè)計(jì)三維模型,導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立其展開過程的模型。通過扭簧的扭轉(zhuǎn)力矩與氣動(dòng)力矩作為驅(qū)動(dòng)使舵片展開,添加運(yùn)動(dòng)副,并且分別在引信體與舵片,轉(zhuǎn)軸與舵片,鎖死裝置與舵片間添加接觸力,使用impact函數(shù)為沖擊函數(shù)模型。舵片材料為鋁,縱向最大尺寸為45 mm,橫向?yàn)?0 mm,繞彈體中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為844 g·mm2。在定義的接觸力中,設(shè)置力指數(shù)為1.5,阻尼系數(shù)取材料剛度值的0.1%～1%,刺穿深度取0.1。

3.2 施加扭簧力載荷

為了保證在任何情況下都能提供足夠的展開驅(qū)動(dòng)力,在計(jì)算所需扭簧力矩時(shí)候,考慮僅有扭簧力矩作為驅(qū)動(dòng)的情況去確定彈簧所需剛度。故根據(jù)式(1)、式(2),有：

(4)

初始條件為θ(0)=0,θ(0)=0,有：

(5)

將展開時(shí)間指標(biāo)tz=100 ms代入式(5),結(jié)合扭簧設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確定k=0.01 N·mm/(°)時(shí)能夠滿足指標(biāo)。在仿真時(shí)設(shè)置扭簧的預(yù)設(shè)角大于所需展開的角度,保證在展開到位時(shí)預(yù)設(shè)角還有剩余,能使舵片更穩(wěn)定的固定在指定位置。

3.3 施加氣動(dòng)載荷

對舵片采用ICEM非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)劃分,FLUENT數(shù)值模擬計(jì)算,前后設(shè)置十倍計(jì)算域,在舵片周圍設(shè)置加密區(qū)域,將舵片表面設(shè)置為WALL,材料選擇理想氣體。對流項(xiàng)的離散方式選擇二階迎風(fēng)格式。湍流模型采用雷諾平均法,標(biāo)準(zhǔn)二方程k-ε模型,在0.8Ma,0°攻角下選取舵片展開過程中10個(gè)角度進(jìn)行仿真,得出其軸向氣動(dòng)阻力變化如圖2所示。導(dǎo)出其壓力中心坐標(biāo),在adams中將力施加在舵片的壓力中心上。

圖2 氣動(dòng)力-角度變化曲線

3.4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖3～圖5。圖3為展開時(shí)間與展開角度關(guān)系圖,可以看到舵片展開角度為90°,且展開過程中曲線的斜率遞增,說明舵片展開的角速度隨著時(shí)間而增大,這是由于雖然扭簧在展開過程中提供的扭矩逐漸減小,但是氣動(dòng)載荷提供的展開力逐漸增大,在二者共同作用下呈現(xiàn)出遞增趨勢,從收縮狀態(tài)展開到位時(shí)間約為27 ms,滿足指標(biāo)要求。圖4為沖擊載荷與時(shí)間關(guān)系圖,由圖可以看出展開到位瞬間舵片底部與引信體的沖擊載荷為36.5 N,展開到位最大沖擊載荷超出穩(wěn)定值25%。圖5為鎖定銷和舵片之間的沖擊力與時(shí)間的關(guān)系圖,由圖可以看出在展開到位后鎖定機(jī)構(gòu)經(jīng)過極短時(shí)間的振動(dòng)就能鎖死,舵片受到鎖定銷的最大沖擊載荷為17.5 N,鎖死后舵片穩(wěn)定固定在指定位置。

圖3 展開角度

圖4 舵片沖擊力-時(shí)間變化曲線

圖5 鎖定銷沖擊力-時(shí)間變化曲線

4 強(qiáng)度分析

使用ANSYS MECHANICAL APDL進(jìn)行強(qiáng)度分析,受到最大沖擊載荷瞬間的應(yīng)力云圖如圖6所示。舵片上瞬間產(chǎn)生的最大應(yīng)力為187 MPa,舵片材料為鋁2A12材料,抗壓強(qiáng)度為370 MPa,故展開到位時(shí)不會(huì)發(fā)生破壞。

圖6 舵片碰撞應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

在分析該折疊翼機(jī)構(gòu)的展開過程中,建立了展開過程的動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算出所需扭簧剛度與飛行中所受到的氣動(dòng)載荷等因素,導(dǎo)入Adams進(jìn)行展開過程的仿真。表明開機(jī)構(gòu)工作過程穩(wěn)定可靠,發(fā)生振動(dòng)較小,展開到指定位置后能夠迅速鎖死,且舵片的薄弱環(huán)節(jié)最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)安全。文中工作可為折疊翼的研究提供理論依據(jù)。