引信球转子机构动力学仿真

第20卷第5期系统仿真学报Vol. 20 No 52008年3月Journal of System SimulationMar.2008引信球转子机构动力学仿真闻泉,王雨时南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)婜:引信球转子杋构是旋转弹药引信的典型机构之一除用于隔爆之外,还可实现延期解除保险.应用歐拉刚体动力学理论,建立了球心质心及弹丸旋輪均不重合时球转子解除保险适动过的微分方程红,在给出了求解放方程血始条件的基油上对某引信球岭于机构解除保险过程遞行了仿真。所得仿真结果与工程实践的结果是一致的关幞词:引信;球转子;保险与解除保险装置;延期解除保险;动力学仿真中图分类号:T4303文献标识码:A文章编号: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引言理阶段,装有雷管的球转子的极惯性轴线与引信轴线错开个角度,以防止雷管意外发火引爆其后直列的传爆管部件球转子机构发明于十九世纪末期,作为一种典型的引信进而引爆弹丸主装药。弹丸由身管发射时,形成引信的后坐机构,已在各类旋转弹药中得到了应用,其中尤以西方各国和旋转环境。后坐环境使引信的后坐保险在最大膛压点之前的小口径炮弹引信最为忤遍。近年来随着引信球转子理论的解除保险,而旋转环境则使引信的离心保险在膛口附近解除发展,其应用已不仅仅限于满足隔爆安全性的要求,而将其保险。但由于后坐力约束反力产生摩擦力,故球转子在膛内功能拓展到了延期解除保险领域。关于球转子的动力学仿几乎无动作。弹丸飞出膛口后,后坐力逐渐消失。在接近后真,虽然文献14有所涉及,但由于所用数学模型存在诸多效期末,球转子在自身惯性离心力矩的作用下克服摩擦力矩缺陷,故结果与工程实践差异很大。文献[5]虽也披露了一部逐渐转正(球转子极惯性轴线与引信轴线即弹丸旋转轴线接分仿真结果,但其数学模型及其结果仍很粗糙,很多重要影近重合)。当球转子的极惯性轴线与引信体(弹丸)轴线接响因素均未涉及。笔者在文献6中建立了形心、质心与弹丸近转正时,引信解除保险,处于待发状态旋转轴三者均不重合这种最普遍情况下的引信球转子动力学模型在文献门中讨论了求解球转子运动微分方程组的初始条件,本文的工作是对这种最普遍情形的引信球转子解除保险运动进行计算机动力学仿真,并在此基础上进一步讨论了引信球转子机构的设计问题1引信球转子动力学模型美国M505A3引信球转子结构示意图如图1所示。其中5为球转子,主要由隔离球和其中的爆炸元件组成。勤务处中国煤化工惯性轴线:4球座管;8—引信体收稿日期:20061207修回日期:2007-0228CNMHG意图作者筒介:阳泉(1979),男,河南南阳人,博士生,研究方向为机电系统灵巧化与智能化;王聊时(1962),男,辽宁本溪人,教授研究方向11运动参考系选取为引信机构动力学、引信系统分析与设计、弹药安全系统与爆炸序列设球转子在其腔室内的解除保险运动为绕形心(球心)的·1110·第20卷第5期2008年3月闻泉,等:引信球转子机构动力学仿真定点转动。如图2所示,可建立动参考系o水和定参考系ME=M+M +Mu+MMc+Maxz。其中。点为球转子的球心,动参考系固连于球转子Mn=M两+M+Mn+MMn+Msn记为(o,e1,e2,e3),o轴取为雷管轴线,球转子上过oM;=+MotM轴的对称面取为om,oc轴和Om轴的方向与弹丸飞行方向其中M、M两和Mx为后坐力或爬行力主矩在动参考系夹角均为锐角或Om轴方向与弹丸飞行方向相同,o轴的方0575中的投影,M、M和Mx为离心惯性力主矩在动向则由轴和m轴按右手法则确定。定参考系oxz固连参考系o5中的投影,Mt、M和M4为哥氏惯性力主于弹丸(引信),记为(o,i,b),az轴与弹丸旋转轴矩在动参考系o5中的投影,Mm、MM和Ma为球轴线方向平行且指向相同,弹丸旋转轴轴线方向记为oz,转子与其腔室下接触点M处摩擦力矩在动参考系o5m中在不考虑弹丸章动的情况下其指向为弹丸的飞行速度方向,的投影,Mm2、Mmn和Ms;为球转子与其腔室侧面接触点过。点作弹丸旋转轴的垂面,该垂面与弹丸旋转轴的交点即S处摩擦力矩在动参考系o55中的投影。各力矩的进一步为o’点,则o'轴指向即为y轴(i2)的正向。ox轴的指向表述见文献6]可由y轴和az轴依右手法则确定。ay平面与o平面的则形心、质心与弹丸旋转轴三者均不重合时的球转子运交线N为节线。进动角y为节线oN与定轴ax之间的夹角动微分方程组为逆时针方向),自转角φ为oN与动轴c之间的夹角(逆4M+(,风时针方向〕,章动角θ为定轴az与动轴c之间的夹角。a=.[M,+(-4)]4[M+(-42吗吗cosφasin=se+吗esin g+2引信球转子运动微分方程组求解初始条件式(4)和式(5)建立的常系数非线性微分方程组般情况下没有解析解,只能在给定初始条件的情况下求数值2球转子运动学分析参考坐标系解。在球转子起动时刻,o5轴与oN重合,即自转角p=0,12运动微分方程组进动角y=vo,章动角0=6(亦即球转子的初始隔离角,般由设计给定)。在弹丸后效期内,球转子所受离心惯性由动量矩定理以及球转子相对于球心o作定点转动,且轴、m轴和∝轴为球转子的惯性主轴或近似为惯性主力主矢近于不变,而后坐力却逐渐减小,与之相应的约束反力所形成的摩擦力矩也因此而变小,在某一时刻以后,作为轴,可推得主动力矩的离心惯性力矩大于摩擦力矩,球转子便开始了相-(n-l)吗a=M;l-(l;-l)卟=M(1)对于其腔室的转动。该时刻即为球转子运动的起动点(以从a-(lt-ln)吗=M弹丸飞离膛口开始计起的时间和表示),则引信球转子运动其中l2、l和l分别为球转子对轴、m轴和轴的转方程求解的初始条件即为=时,中=0,W=v,6=动惯量。a、吗和at为球转子相对于其腔室的瞬时角速6=ψ=φ=0,a=a=a=0·假设啪在0,2x内服从均匀分布。由建立的球转子起动时刻受力平衡方程组即可求度在动参考系o575中的投影,用欧拉角可表示为:得球转子的起动时间和。由于对引信球转子运动及其运a I sin coss -sinp 08动的影响周期为x,所以下面只讨论蜘在[0,可]区间内的情cose形由球转子受力分析可得方程组(1)中的右端项,即球3中国煤化工转子所受外力系向定点o简化所得主矩在动参考系5m中CNMHG的投影:工太猫太球按于还硕时分万程组及其初始条件对某初始隔离角a为88°、形心与质心不重合的引信球转子初ll11·第20卷第5期2008年3月学始进动角v在[0,可]内取不同值、旋转偏心a分别取010180mm、035mm和060mm时的解除保险(转正)过程进行仿真,所得章动角、进动角w和自转角φ随时间r的变化曲线如图3~图11所示图3~图11中曲线1~7分别对应v取0、30°、60°、90°、120°、150°和180°。由于在分析处理时将后效期结束点作为了弹丸运动加速度的跳跃间断点,因此在求算球转子微分方程组时选用了单步变步长的四阶龙40格库塔( Runge-Kutta)法,步长选取以保证章动角的数值解不失真为原则时间图6旋转偏心a=035mm时球转子解除保险过程章动角t曲线备920.1015时间ts0020040060.080.10图3旋转偏心a=0.10mm时球转子解除保险过程章动角e4曲线图7旋转偏心a=0.35mm时球转子解除保险过程进动角vt曲线180080060060.100.150.20时间00020.040.060080.10图4旋转偏心a=0.10mm时球转子解除保险过程进动角wr曲线时间凼图8旋转偏心a=0.35mm时球转子解除保险过程自转角∮曲线10005002000000500中国煤化工时间CNMHG0060070.0图5旋转偏心a=0.10mm时球转子解除保险过程自转角◆一曲线图9旋转偏心a=060mm时球转子解除保险过程章动角曲线第20卷第5期VoL 20 No 52008年3月闻泉,等:引信球转子机构动力学仿真Mar,2008都趋于0P,也有趋于180的情形出现,即球转子在转正过程中有可能出现倒转(4)不论章动角6最终趋于0还是180°,球转子的转正过程都是雷管轴与弹丸旋转轴趋于重合的过程,这与假设球转子的运动为绕球心的定点转动,其转正过程即极惯性轴与弹丸旋转轴趋于重合的过程是一致的。而弹丸旋转轴可近似作为弹丸和引信的轴线,击针、火帽、导爆管和传爆管般均沿引信轴线布设,因此在设计球转子时要使球转子中的15雷管轴线与极惯性轴尽可能重合,这样才能确保球转子里的雷管既能被击针或火帽可靠引发,又能进一步可靠引爆导爆图10旋转偏心a=060mm时球转子解除保险过程进动角v才曲线管或传爆管(5)由图3、图6和图9还可看出,虽章动角θ最终都将趋于0或180,但不同的初始进动角v最终得到的稳定章动角即动态平衡角大小是不同的。该角度亦即球转子停止运动时雷管轴与弹丸旋转轴线的夹角。如果动态平衡角过大,则会影响发火机构可靠发火和爆炸序列的可靠传爆。因此虽然动态平衡角不可能完全消除,但为提高引信作用可靠性,球转子设计应尽可能通过参数优化减小动态平衡角(6)对比图3、图6和图9可以看出,随着旋转偏心的加大,球转子的解除保险时间变短、动态平衡角加大,且vt和中1曲线波动加剧、波动时间增长。因此引信和弹丸图11旋转偏心a=0.60mm时球转子解除保险过程自转角卓曲线设计应对影响引信机构旋转偏心的因素加以控制,尽可能减从仿真所得θ~r曲线可得出该球转子引信的解除保险小球转子旋转偏心以改善引信延期解除保险性能:包括延长距离。仿此实例得到的8种球转子引信解除保险距离仿真结延期解除保险距离和缩短可靠解除保险距离。果如表1所列。5结论球转子引信解除保险距高仿真结果与靶试结果对比炮口保险距离(m)可靠解除保险距离〔从对所仿真的球转子引信靶试回收并分解的结果看,球产品代号指标试验仿真结果结果指标试验仿真转子有部分倒转,球转子极惯性轴线(雷管轴线)相对其腔结果结果室停止运动的最终状态或大或小都与引信轴线存在一动平本文算例≈161440衡角。制式引信解除保险距离靶试结果与仿真结果也较为504.10≈22.33致。因此可以认为上述引信球转子机构的仿真结果与工程实≈2229践结果是基本上一致的。≥2025241≤85参考文献≥35403.98≤100<301638≈252.50<8017.15王翠珍.球转子运动方程的数值积分法门探测与控制学报(原兵<803779工学报引信分册),1981,03):40492]GJBZ135-2002.引信工程设计手册S]4分析和讨论3]安晓红,张亚,顾强.引信设计与应用[M]北京:国防工业出版杜,(1)由图3~图1可以看出,不同的初始进动角v冈赵东新,刘明杰引信两种典型机构的运动和动力学仿真测试门测试技术学报,1998,1202:486491所得到的曲线、曲线及中曲线是不同的,即球转子 Ressell E Lerman. A CAD-E Approach to a Ball Rotor Safe and和φ1曲线最终都会趋于稳定,说明球转子将相对于其腔室^ rming Device [R].ADA0s6240. New Lensey: U.S.Amy的解除保险运动与初始进动角初值密切相关;(2)不论初始进动角v取为何值,B曲线、ψt曲线RADCOM. 1978中国煤化工探测与控制学报,20以某个固定方位停止运动,这与工程实践中球转子的转动情CNMHG定探测与控制学报况是一致的;2007,29(2):5862(3)从图3、图6和图9可以看出章动角0最终并非1113·