彎曲滑軌在火箭橇試驗(yàn)彈車分離中的應(yīng)用＊

張 潔，倪晉平，夏洪利，馬 群，陳 誠(chéng)

（1．西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021；2．中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，華陰714200）

火箭橇是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力沿專門建造的地面滑軌高速滑行的地面測(cè)試設(shè)備，是解決武器系統(tǒng)有關(guān)速度、加速度的地面試驗(yàn)系統(tǒng)［1-3］．導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效果的試驗(yàn)驗(yàn)證和考核是火箭橇試驗(yàn)最重要的領(lǐng)域之一．為了精確模擬導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的終點(diǎn)毀傷效果，要求戰(zhàn)斗部單獨(dú)作用靶標(biāo)，需要在著靶前將戰(zhàn)斗部與火箭橇車分離，并使兩者間距迅速增加，避免橇車與戰(zhàn)斗部同時(shí)間或者同位置作用靶標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響．這就對(duì)戰(zhàn)斗部火箭橇試驗(yàn)終點(diǎn)彈車分離技術(shù)提出了要求．根據(jù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效果火箭橇試驗(yàn)方法和技術(shù)流程，彈車分離技術(shù)分為兩個(gè)方面：①戰(zhàn)斗部與橇車從連接固定形式分離，使兩者從一個(gè)整體分成兩個(gè)整體；②戰(zhàn)斗部與橇車空間距離迅速增加，使橇車無法干擾戰(zhàn)斗部的飛行姿態(tài)，保證戰(zhàn)斗部單獨(dú)撞擊靶標(biāo)．

戰(zhàn)斗部與橇車的解鎖分離主要是通過爆炸分離裝置實(shí)現(xiàn)；戰(zhàn)斗部與橇車空間距離迅速增加主要是通過戰(zhàn)斗部與火箭橇在航向上拉開距離實(shí)現(xiàn)．目前，國(guó)內(nèi)外常用的兩種較為成熟的方法是水剎車和碰撞攔截．水剎車是應(yīng)用動(dòng)量互換原理［4］，在戰(zhàn)斗部與橇車分離后，利用橇車上安裝的剎車裝置及布設(shè)在分離點(diǎn)后的剎車系統(tǒng)使橇車減速，達(dá)到彈車分離的目的；碰撞攔截是在滑軌終點(diǎn)位置的地面上設(shè)置碰撞攔截系統(tǒng)，使橇車與碰撞攔截系統(tǒng)發(fā)生碰撞，將橇車攔截住，達(dá)到彈車分離的目的．因?yàn)樗畡x車需要一定的剎車距離，需要在距離終點(diǎn)較遠(yuǎn)處釋放戰(zhàn)斗部，這對(duì)保持戰(zhàn)斗部的速度和姿態(tài)等帶來很大的困難，所以在試驗(yàn)中多使用碰撞攔截分離方法．但是，對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊、體型小巧的橇車，利用現(xiàn)有方法無法實(shí)現(xiàn)彈車分離．因此，針對(duì)這類橇車的彈車分離，本文對(duì)彎曲滑軌在火箭橇試驗(yàn)彈車分離中的應(yīng)用展開了研究．

1 彎曲滑軌彈車分離方法

在一些試驗(yàn)中，所用的試驗(yàn)件是等比縮小的模擬件，該類試驗(yàn)件體積小、質(zhì)量輕，試驗(yàn)所使用的橇車體型較小、結(jié)構(gòu)緊湊．由于該類橇車的空間緊湊性，為了防止戰(zhàn)斗部釋放后撞擊到碰撞攔截系統(tǒng)，不允許通過預(yù)置碰撞攔截系統(tǒng)的方式攔截橇車，這就對(duì)火箭橇試驗(yàn)終點(diǎn)彈車分離方式提出新的設(shè)計(jì)要求．本文提出了通過在豎向（即高低方向）上拉開的距離，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部單獨(dú)作用靶標(biāo)的方案，通過研究，這種方案具有可行性．當(dāng)火箭橇運(yùn)行到滑軌終端時(shí)，戰(zhàn)斗部與橇車之間解除約束，戰(zhàn)斗部在空氣動(dòng)力作用下慣性飛行，而火箭橇車則需要進(jìn)入特定裝置，實(shí)現(xiàn)橇車與戰(zhàn)斗部在高低方向上拉開距離，該特定裝置為彎曲滑軌，如圖1所示．

圖1 彎曲滑軌彈車分離方法Fig．1 The method of missile-vehicle separation by curved railway track

2 彎曲滑軌的設(shè)計(jì)

彎曲滑軌就是起點(diǎn)與水平滑軌相切，并按照一定曲率半徑折彎，引導(dǎo)橇車偏移靶標(biāo)的一段特殊滑軌．彎曲滑軌設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是滑軌的曲率半徑設(shè)計(jì)和動(dòng)響應(yīng)分析．

2．1 彎曲滑軌半徑設(shè)計(jì)

在彎曲滑軌彈車分離過程中，彈車分離裝置所受到的力主要來自橇車在彎曲滑軌上滑行時(shí)的振動(dòng)過載以及橇車的離心力作用．橇車在彎曲滑軌上滑行時(shí)的振動(dòng)過載與滑軌彎曲半徑?jīng)]有必然關(guān)系，因此在彎曲滑軌半徑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮橇車的離心力作用．離心力計(jì)算公式為

式中：M為橇車質(zhì)量；V為橇車在彎曲滑軌上的滑動(dòng)速度；R為彎曲滑軌彎曲半徑．

已知彎曲滑軌在法線方向上所能承受的許用作用力為［F］，則

同時(shí)，橇車通過在彎曲滑軌的約束滑行，目的是為了使試驗(yàn)件單獨(dú)作用于靶標(biāo)，橇車無法撞擊靶標(biāo)，如圖2所示．

圖2 彎曲滑軌半徑計(jì)算示意圖Fig．2 Schematic diagram for calculation of curved railway track radius

火箭橇試驗(yàn)中靶標(biāo)距滑軌終端距離遠(yuǎn)大于靶底距滑軌平面高度，即H?L；另外，為減小彎曲滑軌所承受的離心力，其曲率半徑一般設(shè)計(jì)很大，可認(rèn)為Hcosα≈H，得出R的表達(dá)式為

根據(jù)彈車分離目的和要求，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該為

綜上所述，根據(jù)式（2）和式（4）可以得出彎曲滑軌半徑的取值范圍為

如某型火箭橇試驗(yàn)，橇車質(zhì)量為50kg，分離時(shí)速度為200m·s-1，彎曲滑軌在法線方向上所能承受的許用作用力為2．0×105N，靶標(biāo)距軌道終點(diǎn)距離為4m，滑軌軌面與靶標(biāo)下表面間距為0．7m．根據(jù)已知條件，計(jì)算可得彎曲滑軌半徑的取值范圍為10m＜R＜11．1m，綜合考慮彎曲滑軌的受力能力和彈車分離的目的，可以設(shè)計(jì)彎曲滑軌半徑為11m．

2．2 彎曲滑軌動(dòng)響應(yīng)分析

設(shè)計(jì)的彎曲滑軌還要進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算．以某戰(zhàn)斗部火箭橇試驗(yàn)為例，通過強(qiáng)度校核確定彎曲滑軌能否完成在特定速度條件下彈車分離．橇車在彎曲滑軌上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，現(xiàn)階段還沒有理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式來支持彎曲滑軌的強(qiáng)度效核，只能通過軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析．主要分析橇車在通過彎曲滑軌時(shí)對(duì)滑軌的摩擦和擠壓是否超過了滑軌材料的應(yīng)力極限［5-7］．本文將采用 ANSYS LS／DYNA對(duì)其進(jìn)行剛強(qiáng)度和變形分析．

對(duì)彎曲滑軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析時(shí)，首先將橇車建立為剛體，賦予橇車質(zhì)量；滑軌建立為彈塑性體，賦予材料屬性．對(duì)分析實(shí)體劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格劃分是有限元前處理的關(guān)鍵技術(shù)，使用全自動(dòng)網(wǎng)格劃分只能實(shí)現(xiàn)四面體網(wǎng)格的劃分，但六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格相比具有單元數(shù)少、計(jì)算效率高、計(jì)算精度好等數(shù)值優(yōu)勢(shì)［8-9］．因此，需要盡可能將仿真分析的幾何對(duì)象劃分成六面體網(wǎng)格．以某火箭橇試驗(yàn)彈車分離模型為例，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用體掃掠法完成六面體單元網(wǎng)格的生成，將分析對(duì)象實(shí)體盡可能的分成規(guī)則的幾何部分，并使劃分后的不同部分接觸面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，網(wǎng)格劃分如圖3所示．

網(wǎng)格劃分后，對(duì)滑軌底面進(jìn)行固定約束，將火箭橇車和滑軌之間設(shè)置為自動(dòng)接觸，并給予火箭橇車一定的滑行速度V，進(jìn)行仿真分析．在分析橇車與滑軌運(yùn)動(dòng)過程中，由于橇車滑靴運(yùn)動(dòng)與滑軌相互摩擦和沖擊，會(huì)產(chǎn)生許多變形較大的應(yīng)力點(diǎn)．根據(jù)仿真結(jié)果，將滑軌上4個(gè)應(yīng)變最大區(qū)域的單元截面進(jìn)行重點(diǎn)分析．

圖3 仿真實(shí)體六面體網(wǎng)格劃分Fig．3 Hexahedral mesh generation of simulation entity

滑軌所用材料為高強(qiáng)度合金鋼，其抗壓強(qiáng)度為1．57×109Pa，破壞強(qiáng)度為4．0×109Pa．當(dāng)滑軌所受應(yīng)力σ大于1．57×109Pa時(shí)，滑軌會(huì)發(fā)生扭曲變形；當(dāng)滑軌所受應(yīng)力σ大于4．0×109Pa時(shí)，材料強(qiáng)度失效，滑軌會(huì)發(fā)生破壞、斷裂等現(xiàn)象．

1）t＝0．001 7s時(shí)的滑軌應(yīng)力如圖4所示．由圖4可知，在0．001 7s時(shí)所選A區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，有80%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有不到10個(gè)單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這10個(gè)單元已經(jīng)破壞失效，但滑軌整體不會(huì)受到影響．

圖4 t＝0．001 7s時(shí)的滑軌應(yīng)力Fig．4 The stress of railway track at t＝0．001 7s

2）t＝0．002 3s時(shí)滑軌應(yīng)力如圖5所示．由圖5可知，在0．002 3s時(shí)所選B區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，但有90%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有4個(gè)單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這4個(gè)單元已經(jīng)失效，但彎曲滑軌整體不會(huì)破壞．

圖5 t＝0．002 3s時(shí)的滑軌應(yīng)力Fig．5 The stress of railway track at t＝0．002 3s

3）t＝0．003 9s時(shí)的滑軌應(yīng)力如圖6所示．

圖6 t＝0．003 9s時(shí)的滑軌應(yīng)力Fig．6 The stress of railway track at t＝0．003 9s

由圖6可知，在0．003 9s時(shí)所選C區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，有90%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有2個(gè)單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這2個(gè)單元已失效，滑軌整體不會(huì)破壞．

4）t＝0．004s時(shí)的滑軌應(yīng)力如圖7所示．由圖7可知，在0．004s時(shí)所選D區(qū)域單元的整體應(yīng)力達(dá)到峰值，但有85%的單元應(yīng)力小于1．5×109Pa，只有不到10個(gè)單元的應(yīng)力超過4．0×109Pa，說明這些單元已經(jīng)失效，但滑軌整體不會(huì)破壞．

圖7 t＝0．004s時(shí)的滑軌應(yīng)力Fig．7 The stress of railway track at t＝0．004s

橇車在彎曲滑軌上滑動(dòng)時(shí)，需要考慮滑軌是否會(huì)發(fā)生破壞及其變形情況，圖8為在滑軌上選取4個(gè)最大位移點(diǎn)的X、Y和Z三個(gè)方向的位移（s）-時(shí)間（t）歷程圖，由仿真結(jié)果可以看出，滑軌在三個(gè)方向上的位移均未超過0．5mm，說明在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，滑軌上端面的變形較小，可以忽略不計(jì)．

圖8 彎曲滑軌不同點(diǎn)位移變化情況圖Fig．8 The map of displacement changes in different regions on curved railway track

經(jīng)過彎曲滑軌運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析可知，此模型中的彎曲滑軌設(shè)計(jì)合理，能夠滿足在此橇車質(zhì)量范圍和本試驗(yàn)速度范圍內(nèi)火箭橇試驗(yàn)的彈車分離．

3 結(jié) 論

本文提出在垂直滑軌方向上實(shí)現(xiàn)彈車分離的方案，并對(duì)彎曲滑軌參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，使火箭橇車在彎曲滑軌上限位滑行，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部與橇車的分離．通過對(duì)某型火箭橇試驗(yàn)使用彎曲滑軌彈車分離進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)論為

1）彎曲滑軌能夠滿足某型火箭橇試驗(yàn)彈車分離需求．

2）使用彎曲滑軌實(shí)現(xiàn)彈車分離對(duì)試驗(yàn)橇車的質(zhì)量和試驗(yàn)速度有一定的要求，受到滑軌材料力學(xué)性能的限制，橇車質(zhì)量過高或試驗(yàn)速度過快可能導(dǎo)致彎曲滑軌發(fā)生斷裂，無法實(shí)現(xiàn)彈車分離．

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