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抗重复高强冲击波活门的优化设计问题

抗重复高强冲击波活门的优化设计问题

抗重复高强冲击波活门的优化设计问题


李聚轩  闯家智  胡凌云  董军


(总参工程兵第四研究设计院,100850)


   


本文在论文〖 1〗的基础上,结合现代高技术战争对防护装备的新要求,从理论和原理上给出了抗重复高强冲击波新型活门的思路。数值计算也给予支 持。


关键词:新型活门  优化设计


一、新型活门基本结构








在压板式活门和悬摆式活门中,都是依靠运动部件和静止部件的相对运动来封闭进气口,达到削减冲击波的目的。当冲击波较强时,也就 是说在高抗力活门结构中,活门运动部件对活门相应的静止部件的冲击是很大的,对活门的破坏作用不容忽视,特别是对活门运动件,在 其应力集中处,会出现断裂破坏。对于细长形的活门运动件,高速弹性波的破坏作用也是要考虑的。现有活门对此问题采取的措施都是在 冲击部位加缓冲垫,依靠缓冲垫的塑性变形吸能来降低冲击力。在高技术战争中,可能遇到常规武器的重复打击,需要活门多次重复工作 ;而且在抗核冲击波时,也会出现多重冲击波的现象。缓冲垫的塑性变形可以降低第一次冲击波此时的冲击力,对于后续的冲击波,缓冲 垫将丧失缓冲作用。我们根据高技术战争中的特殊条件,认为活门应有抵抗重复高强冲击波的能力。


在论文〖 1〗中,作者分析了压板式活门中弹簧的作用。根据〖1〗中的数值计算结果,为了充分发挥弹簧的作用,我们提出这样的设想:在关闭 进气口的过程中,弹簧的刚度应较小,以满足高消波率的要求;关闭进气口后,弹簧的刚度应迅速增加,以有效地减小活门部件之间的冲 击。这就要求活门运动部件在关闭进气口后还有一定的行程,称为超行程。相应的活门称之为新型超行程活门。此活门有抵抗重复高冲击 波的能力。本文给出了构造简图(图1)。                                   1  活门原理图


在图1中,P(t)是冲击波压力,M是活门运动件的质量,K是活门支撑弹簧刚度,H1是关闭活门的行程,H2是活门的超行程。u 是活门运动件的位移。与过去常用的直线型特性(刚度不变)的弹簧不同,这里我们采用增量型(刚度随着变形增加变大)的变刚度弹簧 。


我们现在讨论活门的两个特性,关闭时间和关闭时的撞击力。前者与活门消波率密切相关。而撞击力则决定活门在现代高科技战争中是否 稳定可靠。这样,一个合理优化的活门,其优化目标必然是两方面的,即关闭时间 和关闭时的撞击力。根据碰撞理论,撞击力与碰撞时的速度有关,为了关注主要问题,我们把优化目标定为保证合适的关闭时间 并在关闭时的撞击速度V较小。在一定的冲击波作用下,压板式活门的其它参数如活门板质量M和活门板行程H不变时,TV都与弹簧刚度K有关。K越大,关闭时间越大,但关闭时的关闭速度较小;K 越小,关闭时间越小,但关闭时的关闭速度越大。这是一个矛盾。为了解决这一矛盾,就要对弹簧的特性进行仔细分析。在压板式活门中 ,过去使用的都是等刚度圆柱型弹簧,这种弹簧在变形过程中刚度是不变的。其实弹簧的特性是多种多样的。按其刚度在变形中的变化可 分为:直线型(刚度不变),普通的圆柱型螺旋弹簧即是;渐增型(刚度随着变形增加变大),包括常见的圆锥螺旋弹簧和蜗卷弹簧;渐 减型(刚度随着变形增加变小),如空气弹簧和橡胶弹簧。后两种型式的弹簧在其它领域的应用也是很广泛的。为了比较这三种弹簧中哪 一种更适合我们的应用,仅靠一般的定性分析是不够的,为此我们进行数值计算比较。为了计算对比,选择了两种变刚度方式:一种是双 弹簧形式。即外圈是一直径较大,刚度较小的弹簧,其长度较长,在活门运动部件的整个运动过程中参与受力。内圈是一直径较小的弹簧 ,其刚度较大,长度较短,只有当活门运动部件关闭进气口后才受力,对活门运动部件有一个较大的减速。此种变刚度弹簧实际上是一种 组合弹簧,其刚度特性是折线状的。其结构形式和刚度特性如图2所示。另外一种弹簧形式为圆锥螺旋弹簧或蜗卷弹簧,它们的特性曲线 相似,都是斜率逐渐增大的曲线状(斜率即是弹簧刚度),只是后者的刚度增加的更快些。其结构形式和刚度特性如图2所示。







 


 


 


 


 


 


 


2  组合弹簧刚度特性曲线          图3  圆锥弹簧或蜗卷弹簧刚度特性曲线


二、分析与计算


压板式活门的动力学系统控制方程如下所示:


                                        (1)


这里弹簧刚度是变形的函数,故记为


式(1)对于比较复杂的冲击波压力 和弹簧刚度特性曲线没有解析解,我们可以用数值法来求,设:


                                                     (2)


则上式可改写为一方程组:


                                         (3)


此方程组可用Runge-Kutta法求解,求解列式为:


                        (4)


式中:







                                             (5)


利用式( 4)、(5)可以计算不同刚度特性对应的关闭时间及关闭过程(位移、速度、加速度等量),这些量是活门的主要性能或主要动力学特 性,对于设计活门是至关重要的。


式(5)中h为计算步长。此时可以求出任意 作用下活门板运动规律,包括位移、速度,进而可以求出加速度等量,可以求出活门关闭( )时的撞击力。


本文计算了安装不同刚度的支撑弹簧的活门的关闭过程(考虑保密因素本文涉及的基本参数并不于现有的或在研的某一型号相同),包括 时间-位移曲线(图4、图7),时间-速度曲线(图5、图8),时间-加速度曲线(图6、图9)。


三、结论


本文提出的新型抗重复高强冲击波活门具有两个创新之处:( 1)将活门关闭过程区分为关闭进气口的正常行程和之后的超行程;(2)活门支撑弹簧的刚度与现有的等刚度特性不同,其刚度特性是 变化的。由于具有此两个特点,新型活门不但可以兼顾关闭时间和减小撞击力两个因素,而且用弹性吸能减震方案代替了现有高强活门用 塑性变形减震的方案,使其符合现代高技术战争的需要。我们分析认为这种型式的活门是抗重复高冲击波的较好选择。


     


[1]     李聚轩,史维汾,袁鹏,张燕青.压板式活门的动力学数值模拟,待发表


[2]     关治,陈景良,数值计算方法.清华大学出版社,1991:236-300


[3]     FORTRAN应用程序库.上海机械学院,安徽省计算中心,1984:114-136


[4]     爆炸动力学及其应用.J·亨利奇,熊建国等译,科学出版社,1987:123-148

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对于细长形的活门运动件,高速弹性波的破坏作用也是要考虑,现有活门对此问题采取的措施都是在 冲击部位加缓冲垫,依靠缓冲垫的塑性变形吸能来降低冲击力。在高技术战争中,可能遇到常规武器的重复打击,需要活门多次重复工作;而且在抗核冲击波时,也会出现多重冲击的现象,缓冲垫的塑性变形可以降低第一次冲击波此时的冲击力,对于后续的冲击波,缓冲 垫将丧失缓冲作用;根据高技术战争中的特殊条件,认为活门应有抵抗重复高强冲击波的能力。

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