引信球轉子機構動(dòng)力學(xué)仿真

第20卷第5期系統仿真學(xué)報Vol. 20 No 52008年3月Journal of System SimulationMar.2008引信球轉子機構動(dòng)力學(xué)仿真聞泉,王雨時(shí)南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京210094)婜:引信球轉子杋構是旋轉彈藥引信的典型機構之一除用于隔爆之外,還可實(shí)現延期解除保險.應用歐拉剛體動(dòng)力學(xué)理論,建立了球心質(zhì)心及彈丸旋輪均不重合時(shí)球轉子解除保險適動(dòng)過(guò)的微分方程紅,在給出了求解放方程血始條件的基油上對某引信球嶺于機構解除保險過(guò)程遞行了仿真。所得仿真結果與工程實(shí)踐的結果是一致的關(guān)幞詞:引信;球轉子;保險與解除保險裝置;延期解除保險;動(dòng)力學(xué)仿真中圖分類(lèi)號:T4303文獻標識碼:A文章編號:1004731X(2008)05-104Dynamics Simulation for Fuze Rotor DeviceWEN Quan, WANG Yu-shiSchool of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science& Technology Nanjing 210094, China)Abstract: The fuze ball rotor is one of typical devices in the fuze for rotating projectile. Fuze ball rotor device not only canensure detonator safety, but also is one of delay arming devices, The Euler dynamics theory was applied to establishcoupled differential equations of the motion of ball rotor whose mass center did not coincide with its geometric center andhad an ofset from spin axis of the projectile. On the basis of initial condition to solve the ball rotor movement differentialequation, the arming process of one type of fuze ball rotor device was simulated. The result suggests that it is coincident withKey words: fuze; ball rotor; safety and arming device; arming delay: dynamics simulation引言理階段,裝有雷管的球轉子的極慣性軸線(xiàn)與引信軸線(xiàn)錯開(kāi)個(gè)角度,以防止雷管意外發(fā)火引爆其后直列的傳爆管部件球轉子機構發(fā)明于十九世紀末期,作為一種典型的引信進(jìn)而引爆彈丸主裝藥。彈丸由身管發(fā)射時(shí),形成引信的后坐機構,已在各類(lèi)旋轉彈藥中得到了應用,其中尤以西方各國和旋轉環(huán)境。后坐環(huán)境使引信的后坐保險在最大膛壓點(diǎn)之前的小口徑炮彈引信最為忤遍。近年來(lái)隨著(zhù)引信球轉子理論的解除保險,而旋轉環(huán)境則使引信的離心保險在膛口附近解除發(fā)展,其應用已不僅僅限于滿(mǎn)足隔爆安全性的要求,而將其保險。但由于后坐力約束反力產(chǎn)生摩擦力,故球轉子在膛內功能拓展到了延期解除保險領(lǐng)域。關(guān)于球轉子的動(dòng)力學(xué)仿幾乎無(wú)動(dòng)作。彈丸飛出膛口后,后坐力逐漸消失。在接近后真,雖然文獻14有所涉及,但由于所用數學(xué)模型存在諸多效期末,球轉子在自身慣性離心力矩的作用下克服摩擦力矩缺陷,故結果與工程實(shí)踐差異很大。文獻[5]雖也披露了一部逐漸轉正(球轉子極慣性軸線(xiàn)與引信軸線(xiàn)即彈丸旋轉軸線(xiàn)接分仿真結果,但其數學(xué)模型及其結果仍很粗糙,很多重要影近重合)。當球轉子的極慣性軸線(xiàn)與引信體(彈丸)軸線(xiàn)接響因素均未涉及。筆者在文獻6中建立了形心、質(zhì)心與彈丸近轉正時(shí),引信解除保險,處于待發(fā)狀態(tài)旋轉軸三者均不重合這種最普遍情況下的引信球轉子動(dòng)力學(xué)模型在文獻門(mén)中討論了求解球轉子運動(dòng)微分方程組的初始條件,本文的工作是對這種最普遍情形的引信球轉子解除保險運動(dòng)進(jìn)行計算機動(dòng)力學(xué)仿真,并在此基礎上進(jìn)一步討論了引信球轉子機構的設計問(wèn)題1引信球轉子動(dòng)力學(xué)模型美國M505A3引信球轉子結構示意圖如圖1所示。其中5為球轉子,主要由隔離球和其中的爆炸元件組成。勤務(wù)處中國煤化工慣性軸線(xiàn):4球座管;8—引信體收稿日期:20061207修回日期:2007-0228CNMHG意圖作者筒介:陽(yáng)泉(1979),男,河南南陽(yáng)人,博士生,研究方向為機電系統靈巧化與智能化;王聊時(shí)(1962),男,遼寧本溪人,教授研究方向11運動(dòng)參考系選取為引信機構動(dòng)力學(xué)、引信系統分析與設計、彈藥安全系統與爆炸序列設球轉子在其腔室內的解除保險運動(dòng)為繞形心(球心)的·1110·第20卷第5期2008年3月聞泉,等:引信球轉子機構動(dòng)力學(xué)仿真定點(diǎn)轉動(dòng)。如圖2所示,可建立動(dòng)參考系o水和定參考系ME=M+M +Mu+MMc+Maxz。其中。點(diǎn)為球轉子的球心,動(dòng)參考系固連于球轉子Mn=M兩+M+Mn+MMn+Msn記為(o,e1,e2,e3),o軸取為雷管軸線(xiàn),球轉子上過(guò)oM;=+MotM軸的對稱(chēng)面取為om,oc軸和Om軸的方向與彈丸飛行方向其中M、M兩和Mx為后坐力或爬行力主矩在動(dòng)參考系夾角均為銳角或Om軸方向與彈丸飛行方向相同,o軸的方0575中的投影,M、M和Mx為離心慣性力主矩在動(dòng)向則由軸和m軸按右手法則確定。定參考系oxz固連參考系o5中的投影,Mt、M和M4為哥氏慣性力主于彈丸(引信),記為(o,i,b),az軸與彈丸旋轉軸矩在動(dòng)參考系o5中的投影,Mm、MM和Ma為球軸線(xiàn)方向平行且指向相同,彈丸旋轉軸軸線(xiàn)方向記為oz,轉子與其腔室下接觸點(diǎn)M處摩擦力矩在動(dòng)參考系o5m中在不考慮彈丸章動(dòng)的情況下其指向為彈丸的飛行速度方向,的投影,Mm2、Mmn和Ms;為球轉子與其腔室側面接觸點(diǎn)過(guò)。點(diǎn)作彈丸旋轉軸的垂面,該垂面與彈丸旋轉軸的交點(diǎn)即S處摩擦力矩在動(dòng)參考系o55中的投影。各力矩的進(jìn)一步為o’點(diǎn),則o'軸指向即為y軸(i2)的正向。ox軸的指向表述見(jiàn)文獻6]可由y軸和az軸依右手法則確定。ay平面與o平面的則形心、質(zhì)心與彈丸旋轉軸三者均不重合時(shí)的球轉子運交線(xiàn)N為節線(xiàn)。進(jìn)動(dòng)角y為節線(xiàn)oN與定軸ax之間的夾角動(dòng)微分方程組為逆時(shí)針?lè )较?,自轉角φ為oN與動(dòng)軸c之間的夾角(逆4M+(,風(fēng)時(shí)針?lè )较颉?章動(dòng)角θ為定軸az與動(dòng)軸c之間的夾角。a=.[M,+(-4)]4[M+(-42嗎嗎cosφasin=se+嗎esin g+2引信球轉子運動(dòng)微分方程組求解初始條件式(4)和式(5)建立的常系數非線(xiàn)性微分方程組般情況下沒(méi)有解析解,只能在給定初始條件的情況下求數值2球轉子運動(dòng)學(xué)分析參考坐標系解。在球轉子起動(dòng)時(shí)刻,o5軸與oN重合,即自轉角p=0,12運動(dòng)微分方程組進(jìn)動(dòng)角y=vo,章動(dòng)角0=6(亦即球轉子的初始隔離角,般由設計給定)。在彈丸后效期內,球轉子所受離心慣性由動(dòng)量矩定理以及球轉子相對于球心o作定點(diǎn)轉動(dòng),且軸、m軸和∝軸為球轉子的慣性主軸或近似為慣性主力主矢近于不變,而后坐力卻逐漸減小,與之相應的約束反力所形成的摩擦力矩也因此而變小,在某一時(shí)刻以后,作為軸,可推得主動(dòng)力矩的離心慣性力矩大于摩擦力矩,球轉子便開(kāi)始了相-(n-l)嗎a=M;l-(l;-l)卟=M(1)對于其腔室的轉動(dòng)。該時(shí)刻即為球轉子運動(dòng)的起動(dòng)點(diǎn)(以從a-(lt-ln)嗎=M彈丸飛離膛口開(kāi)始計起的時(shí)間和表示),則引信球轉子運動(dòng)其中l2、l和l分別為球轉子對軸、m軸和軸的轉方程求解的初始條件即為=時(shí),中=0,W=v,6=動(dòng)慣量。a、嗎和at為球轉子相對于其腔室的瞬時(shí)角速6=ψ=φ=0,a=a=a=0·假設啪在0,2x內服從均勻分布。由建立的球轉子起動(dòng)時(shí)刻受力平衡方程組即可求度在動(dòng)參考系o575中的投影,用歐拉角可表示為:得球轉子的起動(dòng)時(shí)間和。由于對引信球轉子運動(dòng)及其運a I sin coss -sinp 08動(dòng)的影響周期為x,所以下面只討論蜘在[0,可]區間內的情cose形由球轉子受力分析可得方程組(1)中的右端項,即球3中國煤化工轉子所受外力系向定點(diǎn)o簡(jiǎn)化所得主矩在動(dòng)參考系5m中CNMHG的投影:工太貓太球按于還碩時(shí)分萬(wàn)程組及其初始條件對某初始隔離角a為88°、形心與質(zhì)心不重合的引信球轉子初ll11·第20卷第5期2008年3月學(xué)始進(jìn)動(dòng)角v在[0,可]內取不同值、旋轉偏心a分別取010180mm、035mm和060mm時(shí)的解除保險(轉正)過(guò)程進(jìn)行仿真,所得章動(dòng)角、進(jìn)動(dòng)角w和自轉角φ隨時(shí)間r的變化曲線(xiàn)如圖3~圖11所示圖3~圖11中曲線(xiàn)1~7分別對應v取0、30°、60°、90°、120°、150°和180°。由于在分析處理時(shí)將后效期結束點(diǎn)作為了彈丸運動(dòng)加速度的跳躍間斷點(diǎn),因此在求算球轉子微分方程組時(shí)選用了單步變步長(cháng)的四階龍40格庫塔( Runge-Kutta)法,步長(cháng)選取以保證章動(dòng)角的數值解不失真為原則時(shí)間圖6旋轉偏心a=035mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程章動(dòng)角t曲線(xiàn)備920.1015時(shí)間ts0020040060.080.10圖3旋轉偏心a=0.10mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程章動(dòng)角e4曲線(xiàn)圖7旋轉偏心a=0.35mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程進(jìn)動(dòng)角vt曲線(xiàn)180080060060.100.150.20時(shí)間00020.040.060080.10圖4旋轉偏心a=0.10mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程進(jìn)動(dòng)角wr曲線(xiàn)時(shí)間凼圖8旋轉偏心a=0.35mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程自轉角∮曲線(xiàn)10005002000000500中國煤化工時(shí)間CNMHG0060070.0圖5旋轉偏心a=0.10mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程自轉角◆一曲線(xiàn)圖9旋轉偏心a=060mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程章動(dòng)角曲線(xiàn)第20卷第5期VoL 20 No 52008年3月聞泉,等:引信球轉子機構動(dòng)力學(xué)仿真Mar,2008都趨于0P,也有趨于180的情形出現,即球轉子在轉正過(guò)程中有可能出現倒轉(4)不論章動(dòng)角6最終趨于0還是180°,球轉子的轉正過(guò)程都是雷管軸與彈丸旋轉軸趨于重合的過(guò)程,這與假設球轉子的運動(dòng)為繞球心的定點(diǎn)轉動(dòng),其轉正過(guò)程即極慣性軸與彈丸旋轉軸趨于重合的過(guò)程是一致的。而彈丸旋轉軸可近似作為彈丸和引信的軸線(xiàn),擊針、火帽、導爆管和傳爆管般均沿引信軸線(xiàn)布設,因此在設計球轉子時(shí)要使球轉子中的15雷管軸線(xiàn)與極慣性軸盡可能重合,這樣才能確保球轉子里的雷管既能被擊針或火帽可靠引發(fā),又能進(jìn)一步可靠引爆導爆圖10旋轉偏心a=060mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程進(jìn)動(dòng)角v才曲線(xiàn)管或傳爆管(5)由圖3、圖6和圖9還可看出,雖章動(dòng)角θ最終都將趨于0或180,但不同的初始進(jìn)動(dòng)角v最終得到的穩定章動(dòng)角即動(dòng)態(tài)平衡角大小是不同的。該角度亦即球轉子停止運動(dòng)時(shí)雷管軸與彈丸旋轉軸線(xiàn)的夾角。如果動(dòng)態(tài)平衡角過(guò)大,則會(huì )影響發(fā)火機構可靠發(fā)火和爆炸序列的可靠傳爆。因此雖然動(dòng)態(tài)平衡角不可能完全消除,但為提高引信作用可靠性,球轉子設計應盡可能通過(guò)參數優(yōu)化減小動(dòng)態(tài)平衡角(6)對比圖3、圖6和圖9可以看出,隨著(zhù)旋轉偏心的加大,球轉子的解除保險時(shí)間變短、動(dòng)態(tài)平衡角加大,且vt和中1曲線(xiàn)波動(dòng)加劇、波動(dòng)時(shí)間增長(cháng)。因此引信和彈丸圖11旋轉偏心a=0.60mm時(shí)球轉子解除保險過(guò)程自轉角卓曲線(xiàn)設計應對影響引信機構旋轉偏心的因素加以控制,盡可能減從仿真所得θ~r曲線(xiàn)可得出該球轉子引信的解除保險小球轉子旋轉偏心以改善引信延期解除保險性能:包括延長(cháng)距離。仿此實(shí)例得到的8種球轉子引信解除保險距離仿真結延期解除保險距離和縮短可靠解除保險距離。果如表1所列。5結論球轉子引信解除保險距高仿真結果與靶試結果對比炮口保險距離(m)可靠解除保險距離〔從對所仿真的球轉子引信靶試回收并分解的結果看,球產(chǎn)品代號指標試驗仿真結果結果指標試驗仿真轉子有部分倒轉,球轉子極慣性軸線(xiàn)(雷管軸線(xiàn))相對其腔結果結果室停止運動(dòng)的最終狀態(tài)或大或小都與引信軸線(xiàn)存在一動(dòng)平本文算例≈161440衡角。制式引信解除保險距離靶試結果與仿真結果也較為504.10≈22.33致。因此可以認為上述引信球轉子機構的仿真結果與工程實(shí)≈2229踐結果是基本上一致的?！?025241≤85參考文獻≥35403.98≤100<301638≈252.50<8017.15王翠珍.球轉子運動(dòng)方程的數值積分法門(mén)探測與控制學(xué)報(原兵<803779工學(xué)報引信分冊),1981,03):40492]GJBZ135-2002.引信工程設計手冊S]4分析和討論3]安曉紅,張亞,顧強.引信設計與應用[M]北京:國防工業(yè)出版杜,(1)由圖3~圖1可以看出,不同的初始進(jìn)動(dòng)角v岡趙東新,劉明杰引信兩種典型機構的運動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真測試門(mén)測試技術(shù)學(xué)報,1998,1202:486491所得到的曲線(xiàn)、曲線(xiàn)及中曲線(xiàn)是不同的,即球轉子 Ressell E Lerman. A CAD-E Approach to a Ball Rotor Safe and和φ1曲線(xiàn)最終都會(huì )趨于穩定,說(shuō)明球轉子將相對于其腔室^ rming Device [R].ADA0s6240. New Lensey: U.S.Amy的解除保險運動(dòng)與初始進(jìn)動(dòng)角初值密切相關(guān);(2)不論初始進(jìn)動(dòng)角v取為何值,B曲線(xiàn)、ψt曲線(xiàn)RADCOM. 1978中國煤化工探測與控制學(xué)報,20以某個(gè)固定方位停止運動(dòng),這與工程實(shí)踐中球轉子的轉動(dòng)情CNMHG定探測與控制學(xué)報況是一致的;2007,29(2):5862(3)從圖3、圖6和圖9可以看出章動(dòng)角0最終并非1113·