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1、第27卷第5期南京理工大学学报Vol.27No.52003年10月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyOct.2003X抛放弹弹射机构优化设计XX廖振强王涛何大平王晖(南京理工大学机械工程学院,南京210094)摘要该文应用内弹道、气体动力学和优化设计理论建立了抛放弹弹射机构的优化设计模型。针对某一类型的弹射装置,应用复合形优化方法对影响悬挂物(导弹或炸弹)的弹射性能的若干参数进行了优化设计。计算实例表明,通过优化设计得出的设计变量参数,可以使悬挂物的最大弹射加速度明显减少。该优化设计模型为改进现有型号的气动力工作性能提供了有力
2、工具。关键词弹射机构,气动力学,优化设计,动态仿真分类号TJ760113,TJ014学科代码460120,590199抛放弹弹射机构是以点燃抛放弹产生的高压燃气作为弹射能源的专门机构。一般情况下,它由抛放弹燃烧室、调节阀、挂钩解锁机构、节流稳压装置和左、右活塞作动筒等组成。这类系统在我国应用广泛。近年来,国内对抛放弹弹射装置和氮气弹射系统进行了一系列[1,2]仿真研究。由于其火药弹内弹道参数、燃气通路的结构参数和弹射活塞结构参数等对弹射速度、悬挂物姿态以及气体状态参数等都会产生较为复杂的影响,为了模拟各参数的影响,得到比较理想的设计参数,本文依据优化设计理论对抛放弹弹射机构进行了优化设计
3、。1弹射作动原理图1是弹射机构气路简图,左、右弹射系统结构相同,由调节阀调节两侧的气体流量。它的弹射作动过程是:在高压室中装有2发抛放弹,载机电源点燃抛放弹后产生大量的高压燃气,通过小孔进入四周环形腔(低压室),达到解锁压力后推动开钩活塞,开钩活塞推动挂钩解锁连杆,释放悬挂物吊挂;同时高压燃气进入调节阀,通过导气管进入左、右活塞作动筒,由活塞将悬挂物推离载机。由于弹射装置结构的不对称或悬挂物重心的偏移,使左、右活塞作动筒产生不同的推力作用,使离机的悬挂物获得所需要的姿态。关于弹射机构的典型结构及其工作原理详见文献[3]。对于本文所讨论的这类弹射装置,在弹射过程中引出一部分高压气体到弹射活
4、塞四周的环形腔内,利用其压力在弹射结束后将弹射活塞推回初始位置。X收稿日期:2002-07-31XX廖振强(1950)),男,1973年9月就读华东工程学院,教授,博士生导师。主要研究方向:自动武器,机械设计及理论。E-mail:zheqliao@mail.njust.edu.cn574南京理工大学学报第27卷第5期图1弹射机构气路简图Fig.1Sketchofejectdevice2弹射机构数学模型抛放弹的燃烧过程与建模参见文献[4]和文献[1]。导气管一维非定常流守恒型方程组如下:5U5F(U)+=B(U)(1)5t5x2TuU=QQuQ(e+)(2)22T2uF(U)=QuQu+p
5、Q(e+)u+pu(3)22Tds2dsudsB(U)=-Qu-Qu-QZpq-[Q(e+)u+pu](4)sdxsdx2sdx而B(U)中的q和Z的表达式分别为322fuq=-fcp(T-Tc)
6、u
7、Z=(5)DD
8、u
9、式中,p、Q、T、u、e分别为气体的压力、密度、温度、速度和内能;cp为气体的比定压热容;s为管道截面积;f为气体摩擦因数;Tc为管壁温度;q为单位时间管壁对管内单位质量气体的传导热;Z表征管壁的摩擦。活塞腔内气体状态方程与悬挂物运动方程:dQq1=(Ge-Gl-QqvbSq)(6)dtVq0+dVzdpqk-1dQqkpqvbSq=(-+EeGe-ElGl-)(7)d
10、tVq0+dVzdtk-1(7)式中散热量的计算公式为dQq=A0Qq(Tq-Tc)Sc(8)dtpq=QqRTq(9)总第132期廖振强王涛何大平王晖抛放弹弹射机构优化设计5751ab=(2@(pq-pa)Sq+Mbg)(10)Mb式中,Ge、Ee为流入活塞腔的气体流量及单位质量气体能量,Gl、El为活塞腔排入大气的气体流量及单位质量气体能量,ab为悬挂物和活塞运动加速度。Vq0为活塞腔初始容积,Vz为活塞腔内由于活塞运动所增加的容积,Sc为散热面积,Mb为悬挂物和活塞质量,pa为大气压,g为重力加速度。下标q表示活塞腔参数。导气管内气流参数采用Godnov差分格式计算,与内弹道、开钩
11、活塞、弹射活塞运动联立求解可以得到悬挂物和活塞运动的位移、速度和加速度以及各腔室的压力等。3优化设计3.1设计变量火药弹内弹道参数、燃气通路的结构参数和弹射活塞结构参数对弹射速度、悬挂物姿态以及气体状态参数都有影响。由于火药弹选用制式抛放弹,其各项参数不作为优化设计变量。受挂架结构和悬挂物挂点接口规范的限制,选取以下一组设计变量:TX=[Vd0D1D2D3Vq0D4xb]变量含义如下:Vd0是低压室初始容积,D1是导气管头部直径,D
