李海軍，王殿宇

（海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺 264001）

0 引 言

機載導彈的發(fā)射方式主要有投放式、導軌式、彈射式3種.由于具備可安裝位置多，導彈與載機之間相互氣流影響較小等優(yōu)點，彈射式發(fā)射被廣泛使用.彈射裝置根據(jù)彈射的驅動能源又可分為熱彈射和冷彈射兩種.目前我國機載導彈大部分采用燃氣式彈射裝置，是典型的熱彈射裝置.它由拋放彈作為彈射裝置的驅動能源，具有體積小、能量大、結構較簡單、重復懸掛精度高等特點，而且技術上比較成熟.但是熱彈射同時也存在很多缺點：污染環(huán)境，產(chǎn)生氣體高溫高壓易燒蝕機件；每次發(fā)射后需對掛鉤等部件清洗擦拭；日常維護危險性高.另一種被廣泛采用的是以高壓氣瓶作為驅動能源的彈射裝置.這種裝置的缺點是高壓氣瓶體積大、質量大，充放氣時間長，不能滿足部隊快速反應要求.針對以上兩種彈射裝置的弊端，本文提出一種以壓縮彈簧來蓄能的新型彈射方案.

1 彈射裝置原理

此方案通過控制作動筒壓縮彈簧桿外部纏繞的彈簧，直到達到預定壓縮量為止；在套筒內(nèi)設計棘齒鎖緊機構鎖住彈簧，壓縮過程中阻止其回彈；推拉電磁鐵在彈射前吸緊，以阻止彈射桿向下運動；彈射時，掛鉤打開，同時推拉電磁鐵回縮，彈射桿在壓縮彈簧的作用下彈射，撞擊負載塊，從而完成彈射過程，其示意圖如圖1所示.

圖1 彈簧蓄能彈射原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of energy storage spring ejection

2 仿真方案

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System），中文全稱為機械系統(tǒng)動力學自動分析，由于其建模精度高，速度快，可靠性強，在世界市場上占據(jù)了相當大的份額.在構造某一物體的運動學模型時，使用ADAMS就能使問題簡化：只要使模型的各個部件之間相對大小位置正確就行，而不需要苛求所構造模型與原物在細節(jié)上保持高度一致.所以ADAMS在不影響仿真結果的前提下，又可以很大程度上節(jié)約建模的時間.但是正因為ADAMS的簡單易操作的特點，在構建復雜模型的情況下就相對比較困難.

Solidworks是一款功能強大，易學易用，操所簡便的三維CAD軟件，并且其采用了與ADAMS相同的Parasolid核心進行建模.利用Solidworks所建立的三維裝配體模型可保存為ADAMS可識別的格式，方便快捷地導入ADAMS中，其裝配體整體以及各零部件的質量和屬性都不會發(fā)生變化.導入之后只要在ADAMS中設計邊界條件和各零部件之間的約束以及力和力矩，就可以進行下一步的運動學仿真分析

3 ADAMS模型的建立

首先，在Solidworks中建立彈射裝置的三維裝配體模型，并保存為ADAMS能識別的擴展名為x＿t的PARASOLID文件，再將其import進入ADAMS／VIEW中.

然后依據(jù)彈射裝置的原理，對各構件添加約束：掛架與地面的固定約束；兩個套筒分別于掛架的固定約束；兩個套筒分別于推桿的圓柱副.施加推桿與懸掛物的接觸力、推桿與套筒的彈簧力.由于推拉電磁鐵的功能與彈射結果無直接關系，為了簡化模型，在彈簧兩端預加壓縮力，在彈射開始的0時刻通過函數(shù)控制撤掉彈簧底部預加力來實現(xiàn)彈射，完成的動力學系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，彈射分離演示如圖3所示.

圖2 ADAMS平臺下彈射裝置仿真模型示意圖Fig.2 Ejection device simulation model under ADAMS platform

圖3 仿真中懸掛物分離示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation in suspension separation

4 彈簧的選取

參照目前大部分機載導彈彈射發(fā)射裝置，分離時要求彈射行程終點速度在3m／s～5m／s之間，以保證導彈與載機安全分離.質量小于160kg的導彈通常采用導軌式發(fā)射，質量為160kg～360kg的導彈，既可采用導軌式發(fā)射裝置，也可采用彈射式發(fā)射裝置.而質量大于360kg的導彈，通常采用彈射式發(fā)射裝置.故在本仿真中分別采用400kg，500kg，600kg，700kg 4種質量的懸掛物.要達到預期的分離速度，選取合適的彈簧是仿真順利進行的關鍵.

由動能定理可得

式中：m為懸掛物質量；v為彈射行程終點懸掛物速度；k為彈簧剛度系數(shù)；x為彈簧壓縮量；W 為其余作用力做功，包括彈簧阻尼損耗及氣動力做功.

在不考慮W 的情況下，代入式（1）得不等式

參考類似彈射發(fā)射裝置的結構尺寸，將彈簧桿長度定為300mm，壓縮量暫定為150mm.由式（1）可知，若要達到預期初始速度，懸掛物質量越大，則所需能量就越大，所以先考慮700kg的懸掛物分離速度能達到3m／s的情況.將m，x，v代入式（2），計算得

又知彈簧剛度系數(shù)公式

式中：G為彈簧材料切變模量；n為彈簧有效圈數(shù)；C為旋繞比，即彈簧直徑D與線粗d比值.不妨選取高強度、耐熱耐腐蝕的60Si2Mn硅錳彈簧鋼作為材料，經(jīng)450℃回火處理后其切變模量可達到83 160MPa.查閱機械手冊可知長度為300mm的彈簧通常圈數(shù)n0為16圈 ，有效圈數(shù)n可取14，旋繞比5＜C＜20.為了控制彈簧體積，將彈簧直徑D定為60mm，旋繞比C取6，則彈簧線粗d＝10mm，代入式（4）可得k≈344N／mm，滿足不等式（3）要求.

此時可壓縮量x≤L－d×n0＝140mm，為留有余地，取壓縮量x＝120mm.

則此時所需預加壓縮力F＝kx＝41 280N.

圖4 彈簧截面受力分析Fig.4 Force analysis of the spring section

式中：WT為彈簧扭轉截面系數(shù).

查閱資料可知，硅錳合金彈簧絲受變載荷作用次數(shù)在1 000～100 000時，許用切應力［τ］為628Mpa，即τ＜［τ］，故此彈簧在受到所設預加載荷時，所受剪切應力在可承受范圍內(nèi).

將已知數(shù)據(jù)代入式（1）可求出不考慮W 時v≈4.06m／s，滿足分離速度要求.

5 仿真結果分析

如圖5所示，在ADAMS的彈簧設定界面中將彈簧剛度系數(shù)設為344N／mm，阻尼系數(shù)一般取0.5，預加載荷設為41 280N，懸掛物重量設為700kg，將仿真時間設定為0.2s，得到彈射速度曲線如圖6所示，加速度曲線如圖7所示.從圖中可以看出，在彈射過程中，由于兩彈簧桿及重力作用，懸掛物速度逐漸增大，加速度逐漸減小，到彈射行程終點回到重力加速度.又因為氣動阻力做功和彈簧阻尼損耗，彈射行程終點處懸掛物速度只達到了－3.7m／s（負號表示方向向下），但已滿足分離要求.

再將懸掛物質量分別設定為400kg，500kg，600kg，得到各質量下懸掛物分離速度曲線，并將其疊加在同一曲線圖上，如圖8所示.可以看出當懸掛物質量最小為400kg時，彈射終點速度可達－4.60m／s，滿足分離要求.所以，在使用所選彈簧及彈射行程的方案下，4種質量的懸掛物均可以達到分離速度要求.

圖6 0.2 s內(nèi)彈射速度曲線Fig.6 The ejection velocity in 0.2s

圖7 0.2 s內(nèi)彈射加速度曲線Fig.7 Ejection acceleration in 0.2s

圖8 各質量懸掛物分離速度曲線圖Fig.8 All the weight of the suspension curve separation speed

6 結 論

本文初步設計了一種新型彈簧蓄能彈射裝置，采用SolidWorks構建其物理模型、采用ADAMS對其進行仿真分析，可以方便快捷地確定彈簧參數(shù)對彈射性能的影響，最終得到結論：在選用規(guī)格為10mm×60mm×300mm的彈簧，并將壓縮量定為120mm的條件下，彈簧可以承受預加載荷，且重量為400kg，500kg，600kg，700kg的4種懸掛物均可以達到目前現(xiàn)役掛架的彈射速度標準3m／s～5m／s.

將仿真分析的應用引入機載武器領域進行研究，在制作物理樣機之前就能得到所需設計參數(shù)以及彈射分離響應，減少了重復設計與試驗的次數(shù)，節(jié)約了研究成本，為后續(xù)的試驗工作提供了重要的理論參考.

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