彈道修正引信隔轉保護平臺設計與仿真

李鑫鵬， 郭朝勇

(陸軍工程大學石家莊校區車輛與電氣工程系， 河北 石家莊 050003)

現代戰爭對炮彈的低附帶毀傷和低成本打擊等方面的要求越來越高，因此將傳統引信改進為具有彈道修正功能的彈道修正引信，使其在不改變傳統炮彈(包括榴彈和迫彈)外形和發射裝置的基礎上提高傳統炮彈的打擊精度并節約成本，成為國內外研究的熱點[1]。目前，在彈道修正引信上的彈道測量模塊、修正執行機構模塊以及電控制系統模塊等方面已取得了較多的研究成果，對國內彈道修正引信的發展起到了巨大的推動作用[2-3]。出于發電、修正、通信和控制等方面的需求，通常需要將彈道修正引信上的某些部分設計成可獨立于彈體轉動而旋轉的組件，實現該功能的具體結構及其相關部分稱為隔轉保護平臺。該平臺可保證高過載發射條件下內彈道段上引信結構的安全性，以及外彈道段上相對轉動組件靈活轉動的可靠性。

基于上述背景，筆者對彈道修正引信隔轉保護平臺進行設計，同時利用顯式動力學分析程序LS-DYNA對隔轉保護平臺在軸向載荷作用下的應力、應變分布情況進行動力學仿真分析，評估并驗證隔轉保護平臺設計的可行性。

1 設計要求

以炮彈的全裝藥發射條件為背景，針對引信在發射和飛行過程中的工作環境，對隔轉保護平臺設計提出如下要求：

1)炮彈發射時，動力來自于火藥燃燒產生的高壓氣體[4]。在內彈道段，高壓氣體作用在炮彈底部，使其加速運動，產生的軸向加速度高達17 000g(g為重力加速度)，因此保證隔轉機構的軸向承載能力是整個設計的首要要求。

2)基于發電和彈道修正的功能要求，隔轉機構的相對轉速可達18 000 r/min，因此要保證相對轉動組件靈活轉動的可靠性。

3)受炮彈引信外形尺寸的限制，隔轉機構內部搭載空間的大小與支撐體的強度相互矛盾，因此要綜合考慮二者的要求，合理確定搭載空間的尺寸。

2 方案設計

隔轉保護平臺通過螺紋結構與彈道修正引信頭連接，如圖1所示。隔轉保護平臺主要包括隔轉機構和緩沖保護結構，其內部結構如圖2所示。

圖1 隔轉保護平臺與彈道修正引信頭連接示意圖

2.1 隔轉機構

隔轉機構由螺紋擋圈、滾動軸承、舵機座和引信本體等組成，其采用雙滾動軸承跨距布置的分布方式支撐引信本體和舵機座，實現以二者為主體的旋轉隔離，進而實現與舵機座連接的修正舵機和與引信本體連接的彈體之間的旋轉隔離，最終保證修正舵機獨立于彈體的靈活轉動要求。雙滾動軸承跨距布置可通過增加2個軸承之間的軸向距離來有效提高該平臺的整體剛度。

1,4—螺紋擋圈；2,5—滾動軸承；3—舵機座；6—預緊底螺；7—推力軸承；8—緩沖墊；9—引信本體。圖2 隔轉保護平臺內部結構

標準滾動軸承的選用主要考慮恒定載荷與長時工作環境下軸承的疲勞磨損，與本文所述瞬時性、高過載和短壽命的應用環境不相符。按照額定載荷來選擇，在尺寸要求范圍內沒有能夠承受17 000g載荷的標準滾動軸承，因此設計了緩沖保護結構來削弱作用在滾動軸承上的載荷，這樣便可依據極限轉速來選擇滾動軸承。

在相同直徑系列的滾動軸承中，深溝球軸承的極限轉速高，且可承受較大的徑向載荷和一定的軸向載荷[5]，因此本設計選用深溝球滾動軸承。根據支撐空間要求以及其他尺寸要求，并參照國家標準GB/T276—1994，選擇6809型和6904型2種軸承。

2.2 緩沖保護結構

緩沖保護結構由緩沖墊、推力軸承和預緊底螺組成，其中：緩沖墊起緩沖保護作用；推力軸承起軸向承載作用；預緊底螺用于對滾動軸承的軸向預緊。緩沖保護結構的作用機理為：安裝時，先通過預緊底螺對滾動軸承進行軸向預緊，這樣載荷作用時可利用滾動軸承的軸向游隙作為緩沖空間，使載荷作用到滾動軸承滾珠之前先經過緩沖墊的緩沖保護和推力軸承的承載保護，以此主動地控制載荷的傳遞路徑，對滾動軸承起到了隔載保護的作用。

2.2.1 推力軸承選用

推力軸承是承受軸向載荷的專用軸承，根據滾動體的不同可分為推力球軸承、推力滾子軸承以及推力滾針軸承。與推力球軸承相比，推力滾針軸承的承載能力強，剛度較大，而軸向占用空間小。結合其具體尺寸要求，擬選用型號為TP1730的推力滾針軸承。

2.2.2 緩沖墊材料選擇

緩沖墊通過吸收一定的沖擊能量來減小作用在被緩沖部件上的載荷，使其免被破壞[6-7]。由于空間有限，緩沖墊只能控制在很小的體積范圍內，因此在較小的空間內吸收較多的能量是緩沖墊材料選擇的主要依據。

根據緩沖材料的吸能原理[8]，單位體積的緩沖材料吸收的沖擊能量e為

(1)

緩沖墊的形變能E計算公式為

E=Ahe，

(2)

式中：σ為作用在緩沖材料上的應力；ε為作用在緩沖材料上的應變；A為緩沖墊的截面積；h為緩沖墊的軸向厚度。

由式(2)可知：當緩沖墊的外形尺寸確定后，相同載荷作用下得到的緩沖墊的應力-應變分布圖面積可用于衡量其緩沖能力。與其他結構所采用的材料相比，緩沖墊的材料應較軟，且在受到壓縮時不會產生較大的形變，故本文結構設計選擇黃銅為緩沖墊的材料。

3 仿真建模

由于隔轉保護平臺為軸對稱結構，且本文只對其軸向載荷作用下的應力、應變分布情況進行研究，為更加直觀地了解內部構件的沖擊動作情況，同時縮短仿真計算時間，將整體模型沿軸線對稱面切割，取其1/2進行仿真分析。

3.1 仿真流程

1) 將建好的三維模型導入到LS-DYNA軟件[9]中；2) 在LS-DYNA環境中設置各構件的結構類型和材料參數，并對各構件進行網格劃分；3) 定義構件之間的接觸類型、運動構件的約束以及作用在構件上的載荷等；4) 進行輸出設置，生成k文件，并進行仿真計算[10]。

3.2 配重模型

舵機、固定鴨翼以及電路板等與舵機座相連，其質量直接影響作用在深溝球軸承上的慣性力。為便于仿真，在舵機座上連接一個質量和分布等價的當量圓柱配重塊，其計算公式為

m=πr2lρ，

(3)

式中：m為配重塊的質量；r為配重塊的截面半徑；l為配重塊的軸向長度；ρ為配重塊的密度。

3.3 材料模型

在LS-DYNA中，用雙線性隨動塑性材料模型定義鋁合金、黃銅和合金鋼，對應材料模型為Bilinear Kinematic。材料參數如表1所示。

表1 材料參數

3.4 網格模型

為了更加精準地了解某點的應力大小及其變化規律，需要將隔轉保護平臺各部件進行網格劃分，本文采用在復雜應力分布環境下計算精度更高的映射或掃掠的六面體網格劃分方法?？紤]到部分構件復雜結構對整體應力、應變的影響很小，可將其作簡化處理，簡化后的網格模型如圖3所示。

圖3 隔轉保護平臺簡化網格模型

3.5 接觸約束定義

仿真中按照理想的接觸約束條件進行設置，忽略了一些實際次要因素的影響。根據接觸構件之間的相對運動情況設置相應的接觸類型，分別將有、無相對運動的接觸構件之間設為光滑接觸和固連接觸。由于只仿真整體模型的1/2，因此需要在軸線切割面上設置約束，限制沿垂直于該面方向的位移為0。

3.6 載荷模型

根據炮彈在內彈道的膛壓曲線，可獲得施加在引信體上的加速度曲線[11]，如圖4所示?？梢钥闯觯涸?.27 ms時加速度最大，為17 595g。

圖4 引信體加速度曲線

4 結果分析

利用LS-DYNA中的后處理軟件LS-PrePost對仿真結果進行處理，結果表明：在3.96 ms時，整體應力和應變同時達到最大值，與所加載荷的最大值出現時間相差0.31 ms；最大應力和應變都產生在單元#88 598處，其中最大應力值為1 140 MPa，最大應變值為4.511 4 μm。

此時隔轉保護平臺整體應力和應變分布云圖如圖5所示?？梢钥闯觯和屏L針軸承7的滾針以及深溝球軸承5的滾珠上的應力較大，推力滾針軸承7的滾針、深溝球軸承5的滾珠、滾轉體和緩沖墊等的應變較大，但最大應變值只有4.511 4 μm，對構件的影響很小，可忽略不計。

圖5 隔轉保護平臺應力和應變分布云圖

由于單元#88 598處的應力最大，且位于推力滾針軸承的滾針上，因此以此單元為代表來評估推力滾針軸承的滾針承載能力，其應力隨時間的變化曲線如圖6(a)所示。同理，以構件上的最大應力單元為代表，對深溝球軸承5、2的滾珠承載能力進行評估，相應應力隨時間的變化曲線分別如圖6(b)、(c)所示。

圖6 應力隨時間的變化曲線

由圖6可以得出：

1)推力滾針軸承的滾針、深溝球軸承5的滾珠和深溝球軸承2的滾珠的最大應力分別為1 139.95、898.91、75.867 MPa，三者均未超過軸承鋼GCr15的屈服極限1 617 MPa，滿足材料的屈服強度要求。

2)對比推力滾針軸承的滾針與深溝球軸承2的滾珠應力值可知，前者承擔了主要的載荷，起到了隔離載荷和保護深溝球軸承2的作用，驗證了緩沖保護結構功能的有效性。

3)對比深溝球軸承5的滾珠與推力滾針軸承的滾針的應力值可知，二者相差241.04 MPa，這說明軸承之間的緩沖墊起到了一定的緩沖作用，驗證了緩沖墊結構布置的可行性。

考慮到徑向載荷以及轉動對軸承滾珠的影響，需要進一步減小軸承滾珠的應力，因此需要繼續提高緩沖墊的緩沖能力。

5 結論

筆者提出了彈道修正引信隔轉保護平臺設計方案，在此基礎上建立了隔轉保護平臺三維模型和仿真模型，并通過對其進行動力學仿真分析，驗證了該設計方案的可行性。下一步，還需要研究不同緩沖材料以及滾動軸承軸向預緊力對隔轉保護平臺抗沖擊能力的影響，驗證徑向承載能力和過載沖擊之后的靈活轉動能力，以及模擬炮彈在發射和飛行中的各種過載條件，以保證彈道修正引信工程應用的可靠性。

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