火箭炮闭锁机构力学性能实验与仿真*

白泽文,李 军,鄢章渝,于骐瑞,赵 鑫

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

0 引言

闭锁机构是火箭弹多管发射系统中的重要部件，用于确保每发弹初始参数的一致性，降低落点散步并提高射击精度[1]。由于闭锁机构验证实验缺乏合理的设备，从静力角度对其进行结构设计，和发射过程中对闭锁机构动态特性进行实验测试是仅有的研究方法。但实验成本过高，且万一实验失败引发的安全问题也很重大。而且，闭锁机构发射过程的实验是在发射整体系统中进行，必然导致不可控因素大大增多，单一部件的特性无法获取。

针对闭锁机构的特殊情况，文中设计了室内实验装置，将其从发射系统中分离出来，采用冲击试验机进行解脱实验，从而精确、直观地显映出闭锁机构单一部件的力学特性。但实验过程中测量参数有限，不能完全的反应出闭锁机构动态响应过程。通过与实际实验的对比，建立一个合理的有限元分析模型，不仅可以降低实验误差引起的结果差异性，减少重复实验次数，缩小实验成本。还可以得到实验过程中闭锁机构所有力学特性，便于对闭锁机构上单一构件进行深入研究。

目前，国内学者对火箭武器闭锁机构的研究主要集中在闭锁机构对火箭弹发射离轨的起始扰动和闭锁挡弹效果这两个方面。陈四春等[2]基于瞬态动力学理论研究了在瞬态冲击载荷作用下，卡簧式闭锁机构各个构件的受力及相互动态干涉情况。李彦君[3]运用非线性动力学有限元方法，分析了不同类型的闭锁机构解脱过程，对火箭武器发射动力学的分析研究有重要的参考价值。张中利等[4]对某剪切销式闭锁机构采用动力学有限元分析方法，仿真结果的数值验证了闭锁性能，并获得剪切销断裂时的剪切力和断裂时间。

1 闭锁机构室内冲击实验

1.1 实验装置工作原理

室内冲击实验的装置主要由压管、压头、转接套圈、盖板和底座等组成，如图1所示。实验中，利用基座挡块将闭锁机构装配在底座的预埋槽内，闭锁筒与闭锁环焊接连接，放在转接套圈上表面上，保证实验过程与闭锁机构不分离，与强制解脱工况一致。在压头受到冲击作用后，压管作用在盖板上，并带动转接套圈和连接环座沿Y轴负方向运动，转接套圈与火箭弹运动规律一致，在运动过程中与闭锁钩发生相互作用，模拟出强制解脱过程。

图1 实验装置装配图

1.2 实验过程

文中室内实验是借助某结构实验室落锤式冲击试验机,该试验机的部件与结构如图2所示。

图2 落锤冲击试验机结构示意图

将闭锁机构装配在试验机的底部平台上，为保护实验装置不会因受到落锤冲击力而发生破坏，在实验装置的顶部和底部设有一定厚度的橡胶垫。用高度尺确定每次实验预定高度,高度误差在±0.1 mm以内。然后通过卷扬机把落锤升至此高度,由电磁控制释放落锤,冲击实验装置。

2 实验结果分析

为获取与有限元分析结果相互参照的实验数据进行了闭锁机构的冲击实验。有限元分析中常用的输出量有位移、接触力、应力和应变等，文中根据实验装置的结构特点，对落锤冲击力和闭锁钩接触力两个参量进行测试记录。实验中落锤和冲击头间的冲击力是采用应变式力传感器获取，闭锁钩接触力是采用底座上贴电阻应变片获取数据换算获取。各个监测点获取的实验数据均由应变放大器自动留存，并由TDS数据采集示波器导入计算机。

2.1 落锤冲击力分析

实验中落锤冲击力的时间历程曲线如图3所示。

图3 落锤冲击力时间历程曲线

对图3曲线分析可知，实验中落锤对实验装置共有3次冲击，每次持续时间为4.5 ms左右，其中第三次冲击峰值略小于前两次。在t=20 ms时转接套圈脱离闭锁钩约束，完成解脱过程。每次冲击大致可以分为3个阶段：

(1) 峰值段：实验装置受到冲击落锤下落的撞击后，橡胶的变形刚度使冲击力达到峰值。

(2) 下降段：实验装置橡胶受到撞击后，压头动能骤增，急速向下运动，相反落锤速度变小。最终，实验装置压头速度大于落锤速度，二者分离，冲击力减小到零。

(3) 回升段：继下降段分离后，在重力作用下落锤再次与实验装置橡胶垫接触，接触力增大。

2.2 闭锁钩接触力分析

在实验装置底座处贴应变片获取测试数据，得到力值曲线，如图4所示，3个闭锁钩分别记为1、2、3号，与测试结果趋势一致。冲击实验过程中3号应变片突然发生损坏，所以3号应变信号未能记录。

分析图4中的曲线可知，1、2号闭锁钩受力趋势有一定延迟，达到稳定零值的时间也有一定差异。其原因是装配误差和载荷偏心所致，3个闭锁钩和转接套圈的接触位置不同，在落锤冲击力下分别达到解脱极限，发生解脱动作。

图4 应变片出力值曲线

3 实验装置动力学分析

3.1 动力学建模

3.1.1 实体建模与网格划分

根据上文所述实验原理进行动力学建模,为实验装置增加一圆柱形落锤,直径为150 mm,通过密度参数将落锤质量调整为235 kg。有限元模型坐标系与图1一致,落锤运动方向为Y轴负方向,实验装置底面为XOZ平面,坐标原点O位于底面中心,满足右手螺旋法则。

实验系统中各构件有限元模型的网格划分均选取8节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)，该网格计算效率相对较高，且不会发生剪切自锁现象，保证计算精度[5]。有限元模型划分网格的结果如图5所示。

图5 整体网格模型

3.1.2 材料与边界载荷定义

材料动载荷实验表明,随着动力载荷加载速率增加,材料力学性能与静态加载情况下性能有着本质不同[6]。在众多材料动态变形描述模型中,通过比较,最终选择J-C模型,因该模型形式简单,容易获取得详细的参数，且很好的表现了金属材料的加工硬化效应、温度软化效应、应变率效应等情况。查取相关资料[7],将调制后45钢J-C模型参数赋予闭锁钩、闭锁销轴、基座和闭锁环。

根据实验工况条件,实验装置底部橡胶垫与大地接触,约束其全部自由度。限制落锤除Y方向以外所有自由度,防止落锤在分析过程中产生附加位移。载荷由落锤初始速度产生,通过预定义场将落锤初始速度加到有限元模型中。

3.2 动力学分析结果对比

有限元分析与实验过程落锤冲击力曲线,如图6所示。

图6 冲击力时间历程对比

分析图6中的曲线可知，有限元分析与实验过程中冲击力的时域趋势和数值大体一致。3次冲击加载中的前两次峰值一致，第三次峰值相对较小。因为在数值分析中材料设置为各向同性，导致仿真材料刚度和实际相比偏大，冲击力率大于实验冲击力。第三次冲击仿真冲击力与实验相差较大,分析原因主要是因为有限元分析中闭锁钩刚度大于实际刚度,在第三次冲击时,闭锁钩与转接套圈接触面积大于实验过程,所以冲击力峰值相差较大。但闭锁钩主要在前两次冲击与转接套圈和闭锁环发生相互作用,故此差异性对研究闭锁机构在强制解脱工况下力学性能影响不大[8-9]。

4 燃气解脱闭锁机构力学特性分析

通过与实验数据对比,建立出合理的有限元模型,得到实验过程各构件所有变化特征,便于对闭锁机构上单一构件进行深入研究,获得闭锁机构更加详细的力学性能参数。

4.1 闭锁机构动力学分析

为了研究闭锁钩、转接套圈和闭锁环在强制解脱过程中相互作用,从计算结果中选取6个典型时刻来描述三者位置关系,如图7所示。

在t=0时刻,显示是闭锁钩、闭锁环和转接套圈的初始位置。转接套圈与闭锁钩上表面接触,闭锁钩与闭锁环间存在一定间隙量。t=2 ms时,转接套圈与闭锁钩产生相互作用,闭锁钩开始向外侧打开。t=5 ms时,落锤与橡胶垫分离,冲击力衰减为零,第一次冲击过程结束,闭锁筒下表面与转接套圈相分离。t=12 ms时,落锤再次与橡胶垫分离,第二次冲击结束,闭锁钩继续向外侧打开,闭锁钩与闭锁环相互作用,闭锁环产生较大变形量。t=20 ms时,转接套圈脱离闭锁钩约束,闭锁钩脱离保险环约束,转接套圈(火箭弹)完成强制解脱过程。t=25 ms时,闭锁钩在侧面弹簧扭力作用下向内侧回弹。从此过程中可以看出,闭锁钩在强制解脱工况下打开难易程度与闭锁环刚度有关。

图7 闭锁钩、闭锁环、转接套圈相互作用关系

4.2 闭锁钩强制解脱过程受力分析

闭锁钩在解脱过程中主要与转接套圈和闭锁环产生相互作用,如图8所示为闭锁钩在强制解脱过程中Y和Z方向受力曲线。其中,Y方向为闭锁钩和转接套圈间相互作用力,Z方向为闭锁钩和闭锁环间相互作用力。

图8 闭锁钩接触力曲线

从图8中可以看出,转接套圈先与闭锁钩产生相互作用,然后,闭锁钩开始向外侧打开,并与闭锁环接触。闭锁钩在Y方向受力最大值为20 kN,Z方向受力最大值为11 kN左右,接触力作用时间为20 ms,与落锤冲击作用持续时间基本一致[10]。

4.3 闭锁机构塑性变形

如图9(b)所示为闭锁钩在落锤冲击过程中塑性变形示意图,闭锁钩主要变形位置在闭锁钩钩槽处。经测量,闭锁钩钩槽初始宽度为6.01 mm,冲击实验后,载荷偏向处闭锁钩钩槽宽度为6.63 mm,产生了0.62 mm塑性变形量,另外两个钩槽宽度为6.48 mm,产生了0.47 mm塑性变形量。

图9 闭锁钩和保险环变形示意图

图9(d)为闭锁环在落锤冲击过程中塑性变形示意图。从图中可以看出,闭锁环主要变形区位于与闭锁钩接触区域底部,最大变形量为2.67 mm。发生塑性变形后的闭锁机构不可重复使用。

4.4 闭锁机构性能

根据闭锁机构设计要求可知,闭锁钩应能提供一个统一解脱力,以保证每发火箭弹发射初始参数一致,提高射击精度。当火箭弹推力小于此力时,不能够完成解脱。当火箭弹推力大于此力时,闭锁钩解除对火箭约束的固定，执行闭锁解脱动作。

比较不同载荷冲击条件下闭锁钩与转接套圈(火箭弹)接触力曲线,一是150 mm冲击实验加载方式,另一是火箭弹加速度加载方式,如图10所示。

图10 闭锁钩不同载荷作用下接触力曲线

从图中可看出,闭锁钩与转接套圈接触力在不同加载方式下变化趋势基本一致,接触力最大值也都为20 kN左右。所以,可以认定该闭锁机构强制解脱工况闭锁力定值为20 kN。

闭锁机构上闭锁钩、闭锁座、闭锁环在强制解脱过程未发生结构破坏现象,说明闭锁机构各构件满足强度要求。

5 结论

文中以某燃气解脱式闭锁机构为对象,通过落锤冲击实验、动力学有限元分析方法对闭锁机构强制解脱工况下力学性能进行分析,可以得出以下结论:

150 mm落锤冲击解脱实验中,实验装置最大冲击力为80 kN,落锤对实验装置共进行3次冲击加载,总加载时间为20 ms。

该燃气解脱式闭锁机构在解脱实验中,火箭弹、闭锁环、闭锁钩能够按预期工作方式运动,满足工况要求。闭锁机构上各构件未发生结构破坏现象,满足刚度设计要求。

该燃气解脱式闭锁机构在强制解脱工况中闭锁力定值为20 kN。在150 mm落锤冲击解脱实验中,1号闭锁钩钩槽处产生了0.62 mm塑性变形量,其他两个闭锁钩钩槽处塑性变形量为0.48 mm。闭锁环变形量为2.67 mm,位于与闭锁钩接触处底部。