Catia小口径弹头外形设计与气动特性研究
毕业论文关键词：小口径枪弹 外形设计 数值模拟 气动分析
Title The research on gas dynamic character and shape design of small caliber bullet
Abstract We takes the small caliber bullet as the research object in this paper, according to the current research status of small caliber bullet projectile, we put forward before arc radius, arc length, angle, before the stern length and there is no concave warhead shape design scheme based on. The specific work is as follows. First the warhead 3D solid model was established by Catia, then with Gambit mesh we adopt Spalart-Allmaras model, through the simulation of fluid Fluent, flow characteristics of two types of guided the bullet and the aerodynamic coefficients, especially the pressure field, velocity field, temperature field, and the drag coefficient, lift coefficient, lift to drag ratio, the pitching moment coefficient change law and features. Finally, we put forward the design scheme of the projectile shape. Key words ： Small caliber bullet Shape design numerical simulation Aerodynamic -analysis
目 次
1 绪论 . 2
1.1 课题研究背景及意义 2
1.2 国内外研究情况 2
1.3 本课题主要工作 5
2 弹头外形设计及气动特性数值方法 . 6
2.1 外形总体设计 6
2.2 旋转弹头的受力分析 9
2.3 计算流体力学与数值理论方法 . 11
2.4 Gamit网格划分 . 13
2.5 弹头Fluent仿真计算 14
2.6 本章小结 . 18
3 仿真结果及数据分析 19
3.1 基于弧形部半径变化的分析 . 19
3.2 基于弧形部长度变化的分析 . 21
3.3 基于船尾长度变化的分析 . 23
3.4 基于船尾角度变化的分析 . 25
3.5 本章小结 . 27
4 总结及展望 28
4.1 总结 . 28
4.2 展望 . 28
结论 . 29
致谢 . 30
参考文献 . 31
1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 弹头的气动特性对改善外弹道性能、增强自动武器作战效能至关重要。十九世纪以前，火枪使用的基本上都是圆形的前装铅弹，1825年，法国军官德尔文设计了一种枪管尾部带药室的步枪，经过通条撞击的软铅弹丸，形状由圆变扁。1830年，枪弹发展史上迎来了具有划时代意义的时刻，在这一年，德尔文发明了长形弹丸，现代弹丸就是在此基础上发展起来的。和传统圆形弹丸相比，长形弹丸可减小空气阻力，缩小枪的口径，减轻枪的重量，减小膛线深度。现代枪弹弹头外形的设计是以减小空气阻力和加大精度为目的的。本课题对小口径弹头外弹道压力流场和阻力特性进行分析。通过 Fluent 对弹头外流场进行数值仿真以获取相关的气动力参数。可为弹头外形设计提供参考意见。 1.2 国内外研究情况 1.2.1 国外研究情况 S.s.melvin[1] 研制出一个计算机程序,供快速进行弹道式再入弹头的参数设计之用。它能定出一个(或是一类)弹头,使它们在一组给定的设计约束条件内,达到最小重量。他在文章中介绍了使用这个程序的具体技术及计算结果。输入数据包括:弹头的性能特征参数、弹头构架的特征参数、弹头内部组装要求、弹头重量及几何方面的约束条件。输出数据描绘出满足上述输入约束条件的最终弹头。输出数据中包括弹头的重量和重心、弹头构架的确定参数、以及弹头内部组装安排。此外,还提供出初始载入条件下和弹着点条件下的重量、重心、弹头的几何外形、静稳定裕度和弹道系数。该程序对设计先进弹头特别有用,因为它能很快地定出满足初始设计要求的那种弹头。 美国战略导弹先进弹头实验[2]。双锥弹头的52 个载入弹头模型的模拟试验在阿诺德工程研制中心的超音速风洞中完成了。实验条件是:模拟高度 134000英尺，马赫数是 10,攻角为-16°～+16°。这次试验目的是创立一个数据库,以支持研制双锥弹头的初步计划,并确定出前锥和后锥连接部位的最佳锥角,从而用来寻求最有利的气动外形。 美苏弹头控制技术[3] 。 美苏从一开始研制战略导弹起,就把弹头控制作为重要的研究课题之一。特别是近二十年来,美苏在弹头控制技术上解决了许多工程设计问题,其中多弹头和机动弹头的发展便是这一技术领域中的代表性成就。 1.2.2 国内研究情况 王晓兵[3] 优化了弹头结构设计,他用 Gambit 建立某弹头外流场数值仿真模型并生成网格,通过 Fluent对弹头外流场进行数值仿真以获取相关的气动力参数。并以此结果为依据，对射程和稳定性进行分析，分析结果与试验基本一致，这说明用树枝仿真方法设计弹头气动外形的方法是有效可行的。 林旭焕[4] 提出小口径枪弹的装配系统是研究所、工厂和院校的实验室用于自动武器试验过程中调整枪弹类型、装药量、药型等参数时的重要环节，他对小口径弹药进行重新装配结合，并设计的一台具有一定自动化子弹装配装置，为研究自动武器的性能与技术参数实验提供安全可靠的加工操作平台。装配系统能够实现自动装配，并能提高整个系统的安全性、可靠性、经济性等。 刘延友[5] 通过对自动装配系统工艺的分析、系统布局设计以及整个小口径枪弹装配系统结构的研究,设计了包括井道式弹壳落料,螺杆式供药、弹头压配以及杠杆式紧口结构等,能够进行枪弹装配中的发射药计量、装药、弹壳紧口压配等操作,形成了一套四工位台式全弹结合机总体方案。根据装配系统的结构设计方案、技术要求和装配作业环境,通过分析四个工位所要完成的基本操作和控制任务,确定了控制系统的结构方案。 高炳龙[6]等利用Visual Basic 对SolidWorks 进行二次开发,开发出了用于某型号单室双推力发动机嵌金属丝装药的计算软件。计算和试验结果表明该类嵌金属丝装药在单室多推力发动机一级大推力阶段中普遍会存在压强峰(推力峰)。为了获得更好的内弹道性能,分析了该类装药的主要设计参数对装药计算的影响。结果表明,未包覆柱段长度、槽宽、以及金属丝排列直径是影响性能稳定的主要参数,而槽长和燃速比的影响相对较小；此外,锥形凸台的设计对性能的稳定性影响也很大。其结论为单室双推力发动机的装药设计提供了有效参考。 陈文超 [8]认为在弹箭设计的初级阶段和末期靶场试验中,都需要对弹箭的气动外弹道性能进行快速测算,对所设计弹箭进行快速选型或对其落点进行预先估算。为实现这两个目的,他通过研究计算弹箭气动力性能工程算法,对某型号榴弹进行了气动力外弹道综合性能优化设计。在全弹道上飞行的轴对称旋成体弹头,会以亚音速、跨音速、超音速等不同速度和不同姿态在相应气象条件和海拔高度下运动,为此采用将弹头拆分为前体(头部和圆柱部)和后体(尾部和底部)的部件组合方法,并分别在三种音速下对各组成部件的气动力参数工程计算方法进行深入的研究,从而精选出了一整套可用于弹箭全弹道气动性能工程估算的方法；建立了5D 弹道模型,并采用龙格-库塔法对微元方程组进行求解；完成理论分析后,采用Fortran模块化语言将外弹道求解和气动力计算两部分内容程序化；应用所编制程序对某型号的榴弹进行计算,并将其结果与试验结果进行对比,通过各攻角、马赫数下气动参数的数据对比证明该程序的精度是完全满足要求的；在此基础上,应用该程序对某型号榴弹进行了气动外弹道多目标综合优化设计,优化的目标参数包括初始弹重、长细比和头部母线线形。通过优化设计,某型号榴弹增程率达到 17.35%,效果明显。经验证,本程序可应用于对0.0Ma～3.5Ma内的轴对称旋成体弹箭进行气动外弹道计算,而且精度较好,能够用于弹箭设计初级阶段快速选型和靶场实验阶段快速预估落点。 张宏飞[9] 用数值仿真软件对某弹头部的三种设计方案进行了外流场数值仿真,在仿真结果的基础上对弹头部气动参数进行对比分析,得出了较优气动外形。从而验证了外流场数值仿真方法是弹箭气动外形设计的一种快速、高效的方法,相对风洞实验,具有设计效率高,研制成本低的优点。 侯粉[10] 采用NURBS 曲线曲面,对钝锥弹头和钝双锥弹体建立参数化曲面模型,取曲线控制点作为设计参数,应用高超声速面元法求解气动力特性,在给定设计约束下,采用遗传算法进行气动外形优化设计,并对优化结果进行了比较分析。结果表明,采用NURBS 方法构造参数化外形,并结合优化技术可方便快速地获得所需最优外形。与应用二次曲线构造参数化外形相比,该方法对弹体形状控制更加灵活,并可局部修改弹头曲线形状。因此,基于NURBS 方法发展整套的系统优化设计算法很有现实意义和应用价值。 姚伟刚[11] 提出超声速射流装置能很好地模拟榴弹引信发电机飞行时大气环境的工况,并成为地面考核和验收必不可少的设备。从二文轴对称 N-S 方程出发,利用二阶精度有限体积法和 S-A湍流模型,对超声速射流装置的自由射流流场以及不同模型尺寸对超声速流场结构的影响进行了模拟计算。给出了激波与射流边界之间复杂干扰流场结构图,结果证明不同模型的尺寸对超声速射流流场有较大的影响。 任志勇[12]认为弯尾导弹是提高导弹机动性的重要技术方案之一。他研究了弯尾导弹的外形设计和网格生成方法,设计了导弹的几何外形。并对弯尾导弹的设计特点、网格生成技术、高超声速常规气动设计作了初步探讨。 孙晓峰[13]认为偏转弹头导弹是一种新颖的变外形导弹,通过操纵弹头相对弹体偏转改变导弹的气动特性并产生机动过载，而弹头偏转造成的影响并不局限于气动方面,导弹的动力学模型本身也随之改变。为了发展偏转弹头技术,他认为对其进行动力学建模研究十分必要。文章采用质点系的动量定理和动量矩定理推导了偏转弹头导弹的动力学模型,引入矢量的代数表达形式精简了推导过程,并且采用定性分析和仿真的手段对动力学模型进行了适当的简化,兼顾了模型的精确性和适用性。
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