一种弹体膛内运动的动力学仿真方法

摘 要：在传统弹体外形结构设计到定型过程中，为减少加工、试验及人力等成本，针对某弹体在方案阶段的结构设计，提出一种弹体膛内运动的动力学仿真方法。对某弹体结构进行建模，用动力学仿真软件ADAMS模拟弹体在膛内的环境作用力后，实现该种方案结构运动的仿真，为指导后续各阶段设计改进提供参考。

关键词：弹体；动力学；仿真

中图分类号：TJ410文献标识码：A

弹体在火炮膛内实际发射过程中，往往较难测得弹体的转速，并且从零件设计、制造开始到完成一次发射试验需要耗费较大的人力、物力和财力。本文针对某弹体在方案阶段的结构设计，提出一种弹体膛内运动的动力学仿真方法。仿真在机构运动和动力学上的应用从成本、效率、良性循环设计等根本上改变了以往单纯靠物理试验和计算进行测试的工作模式，使仿真工作具有了经济性、灵活性和可重复性。[1～2]

ADAMS弹体结构动力学模型

首先建立弹体结构动力学模型，将整个弹体结构简化为三大部分：主动部分、随动部分及钢珠，如图1所示。弹体在膛内发射过程中，在火药燃烧作用力下，弹体主动部分上的弹带挤进膛线并推动弹体沿膛线旋转运动，随着弹体主动部分的高速旋转带动其随动部分旋转。简化结构中，钢珠主要起轴承作用，最终实现弹体随动部分的转速小于主动部分，并考察验证弹体随动部分转速与主动部分转速的比值。在Pro/e中进行三维模型建立，保存为.x_t格式，再将其导入动力学仿真软件ADAMS中，进行相关约束、接触、力、运动、摩擦系数及质量属性等参数设置，其中对弹体在膛内的各种环境作用力的简化和模拟的设置较为重要。

ADAMS仿真验证过程及结果

2. 从弹体开始发射到弹体出炮口阶段

在此阶段，设置仿真作用时间10ms，在弹体主动部分加Motion驱动其转速ω1由0加速至1.34×107d/s，软件仿真输出曲线如图2所示。在弹体主动部分带动下，弹体随动部分转速ω2由0加速至3.35×106d/s。弹体随动部分转速与主动部分转速之比ω1/ω2为0.25。

2. 弹体出炮口后的自由飞行阶段

在此阶段，使作用在弹体主动部分的Motion失效，添加设置作用在主动和随动部分上与弹体转速方向相反的取自弹体在固定马赫数下对应的极阻尼力矩（弹体在自由飞行阶段的速度实际是不断变化的，本仿真取固定马赫数做出简化），并对弹体主动部分设置初始条件为转速ω1，对弹体随动部分设置初始条件为转速ω2。仿真运行至0.01s时，主动部分转速由ω1减小至ω3≈1.04×107d/s，之后转速开始反向并增大，仿真曲线如图3所示；在软件运行至0.00375s时，随动部分转速由ω2减小至0，软件运行到0.01s时，随动部分转速同向增大至ω4≈2.35×106d/s，之后转速开始出现减小与增大的波动。在0.01s时，随动部分转速ω4与主动部分转速ω3之比为ω4/ω3=0.226<0.25，ω3与ω4方向相反。

3 结语

通过本文仿真，该弹体结构方案可以实现减小弹体随动部分的转速，考虑弹体实际尺寸及确定弹体主动部分与随动部分的联接方案，及在随动部分开槽或者添加减速舵片，并对其进行Fluent飞行动力仿真，算出弹体相关气动力等参数，对仿真实验方案进行完善，可取得较为准确的仿真结果，为后续各阶段弹体结构设计的不断改进提供参考。

参考文献：

[1]赵东新，刘明杰.引信两种典型机构的运动和动力学仿真测试[J].测试技术学报，1998，12（2）：486-491.

[2]王力，曹红松，张会锁，等.一種典型机构的动力学仿真测试方法[J].机电技术，2015，12（3）：55-57.

作者简介：王力（1985-），男，陕西西安人，硕士，助教，主要研究方向为机械设计与材料检测。