某多管火箭炮的动力学特性分析.pdf

第34卷第9期
舰船科学技术
Vol 34 No 9
2012年9月
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
2012
某多管火箭炮的动力学特性分析
朱保义
(海军驻郑州地区军事代表室,河南郑州450015)
摘要:利用显式动力学方法计算了某火箭弹与定向管的弹管碰撞问题,得到了定向钮和前中后3个定心部
与定向管的碰撞力;利用快速傅立叶变换计算出碰撞力的频谱,并与某火箭弹发射装置的固有频率进行对比分析,说
明了火箭炮系统设计合理;对火箭弹发射系统进行了动力学计算,得出了前后2组弹发射的最小时间间隔和初始扰动
参数。
关键词:发射动力学;多管火箭炮;显式动力学;固有频率;初始找动
中图分类号:TJ393
文献标识码:A
文章编号:1672-7649(2012)09-0051-05doi:10.3404/j.isa:.1672-7649.2012.09.010
Dynamic characteristics of multiple rockets gun
ZHU Bao
(Navy Representative office in Zhengzhou, Zhengzhou 450015, China)
Abstract The calculation is made for the impact movement between the rocket projectile
and
direction tube by explicit dynamic, and the impact forces between the guide pin, front, middle and rear
centering parts and the directional tube are obtained. The frequency spectrum of impact forces is calculated
by using fast Fourier transform and compared with the inherent frequency of some rocket gun launcher, it is
concluded that the design of this multiple rockets gun system is rational. The dynamic calculation is made for
the rocket gun launcher system and the minimum launch interval between the two units of firings and the
initial disturbance parameters are obtained
Key words: launch dynamic; multiple rockets gun; explicit dynamics; inherent frequency
initial disturbance
的刚体,采用 Wittenburg在20世纪60年代提出的
0
方法,利用图论的理论描述多刚体系统的结构特
火箭弹在发射过程中,由于闭锁挡弹机构的征。利用多刚体系统动力学进行仿真结构简单
解脱,前中后3个定心部和定向钮与定向管发生计算量小,速度快,但是对一些接触碰撞现象很
碰撞,以及燃气流对发射装置的冲击等原因,会难进行详细的计算分析,不能计算构件的应力
使发射系统受到一个外在的激励,从而引起发射应变、塑性应变。基于有限元法的结构动力学克
系统的振动,直接影响到火箭弹的射击精度和射服了上述缺点,特別是基于显式算法的结构动力
击密集度。
学,特別适合碰撞、接触等复杂问题的计算分析,
目前对火箭炮发射系统进行动力学仿真一般能够详细计算系统中各个部件的应变、应力等变
有2种方法l:多劇体动力学和基于有限元的结量。但是计算量非常大,需要大量的计算资源,
构动力学。其中多刚体动力学的思想是把整个发随着近年来计算机技术的高速发展,计算量大已
射系统或者发射系统中的多个组件看作不可变形经不再成为主要的问题。
收稿日期:2012-07-30
作者简介;朱保义(1960-),男,高级工.程师,主要从事导弹发射装置的研制与监造工.作。
万方数据
?52
舰船科学技术
第34卷
显式动力学数学模型
碰撞,若不考虑燃气流对定向管冲击的作用,火箭
弹定向钮、后定心部、中定心部、前定心部与定向
基于有限元方法的半离散动力学方程可表管均发生碰撞接触,从而把碰撞力作用在定向管内
示为-1?
壁。对单根定向管与火箭弹的接触碰撞进行分析,
Mx+Cx+Kx=f(t)。
火箭弹和定向管模型如图1所示。由于定向管与发
式中:M为质量矩阵,在显式算法中一般采用集中质射箱采用焊接方式,因此对定向管3个部位采用完
量矩阵;C为阻尼矩阵,采用 Rayleigh阻尼,即C=全的约束,如图1所示。
aM+BK,a,B为阻尼系数,与具体的材料、结构有
关;K为刚度矩阵;f()为外载荷;x,和x分别为
加速度、速度、位移列阵,都是时间t的函数。
采用中心差分法解式(1),可得:
l/2
"リ2、z"
△t"=t"tl2-t"-2。
加速度的中心差分为
图1定向管与火箭弹有限元结构模型
Element structure model for directional tube
(△")2
(2)
and rocket projectile
速度的中心差分为:
定“12=x'-x
图2是定向管不同时刻的等效应力图,经计算
t"1-t△
(3)最大应カ为13.98MPa,小于屈服极限,定向管满
x"=x"+x"△t+a。
足强度要求。
令f"()=f()表示外力,f"()=cx+Kx表示
图3是火箭弹定向钮、后定心部、中定心部、
内力,动力学方程式(1)可以写为
前定心部与定向管的碰撞力曲线,最大碰撞力为
Mx)=f"()-f"(t)。
(5)893.5N,出现在定向钮对螺旋导槽上,分别对4个
把式(2)~(4)代入式(5),可得
碰撞力曲线作快速傅立叶变换,如图4所示。表1
乙/r+
n-1/2
=f"()-f"(t),
是火箭弹对定向管的碰撞力的主要频率。
M
(6)
△t
x"Ma=x"a+M-[f"()-f()]r"。(7)
在任意时间步n,由已知位移x",根据应力应
变关系、材料本构方程及结构阻尼可确定f(t);
由节点外力可以确定f(t"),通过式(7)可以计算
x",进一步由式(4)可以计算位移t“'时刻的位
移
由于显式动力学在时间域采用中心差分,因此
(b)=0.04s
是条件稳定的,迭代增量时间△t必须小于上限值,
:
由CFL条件可得:
L
式中:L.为单元特征长度,即所有单元的最小边
长;A,ル为Lame常数;p为材料密度。
2火箭弹与定向管碰撞力分析
(c)=0.06s
(d)r=0.07s
图2定向管应力分布
火箭弹在定向管中运动,与定向管壁发生接触