梁倩倩,劉永壽,高宗戰(zhàn)

(西北工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)系,西安 710129)

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某機(jī)載導(dǎo)彈彈射裝置建模及參數(shù)敏感性分析

梁倩倩,劉永壽,高宗戰(zhàn)

(西北工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)系,西安 710129)

針對(duì)某導(dǎo)彈彈射裝置在進(jìn)行多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),結(jié)構(gòu)的彈性變形和掛鉤細(xì)節(jié)接觸碰撞均會(huì)影響導(dǎo)彈分離參數(shù)的問題,文中提出了一種含掛鉤機(jī)構(gòu)的導(dǎo)彈彈射裝置的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型?；趶椥宰冃卫碚摵投囿w動(dòng)力學(xué)理論,利用PATRAN和ADAMS軟件完成彈射裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕⒑头抡?并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。仿真結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的彈性變形、導(dǎo)彈質(zhì)心位置、導(dǎo)彈質(zhì)量和作動(dòng)筒的氣源壓力都會(huì)影響導(dǎo)彈分離姿態(tài)。

彈射裝置;剛?cè)狁詈?敏感性分析;多體動(dòng)力學(xué);動(dòng)力學(xué)仿真

0 引言

空空導(dǎo)彈有兩種發(fā)射形式,一為導(dǎo)軌發(fā)射,二為彈射發(fā)射。相較于外掛式導(dǎo)軌發(fā)射,內(nèi)置式彈射發(fā)射能夠避免發(fā)射裝置在機(jī)身外部對(duì)載機(jī)飛行性能的影響,使飛機(jī)保持良好的氣動(dòng)外形,又能夠有效的隱藏導(dǎo)彈信號(hào)特征,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的隱身性能,顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)的綜合作戰(zhàn)能力。因此,加強(qiáng)內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置的研究,是我國邁進(jìn)第五代戰(zhàn)機(jī)的必經(jīng)之路。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)彈射裝置做了大量的研究:文獻(xiàn)[1-3]利用Matlab建立彈射裝置的數(shù)學(xué)仿真模型,研究其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化規(guī)律和參數(shù)變化對(duì)裝置工作性能的影響;在文獻(xiàn)[4]中,一種氮?dú)庾鲃?dòng)筒的彈射裝置數(shù)學(xué)模型被建立,用于分析作動(dòng)筒氣源壓力和彈體質(zhì)量變化對(duì)導(dǎo)彈分離參數(shù)的影響;文獻(xiàn)[5-7]基于柔性多體動(dòng)力學(xué)理論,考慮結(jié)構(gòu)的彈性變形,驗(yàn)證了剛?cè)狁詈夏Ｐ偷目尚行院涂捎眯?文獻(xiàn)[8-9],應(yīng)用復(fù)合型優(yōu)化方法對(duì)影響導(dǎo)彈彈射性能的若干參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究都主要針對(duì)于彈射裝置中的八連桿機(jī)構(gòu),未考慮掛鉤細(xì)節(jié)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射姿態(tài)的影響，而掛鉤機(jī)構(gòu)在彈射裝置和導(dǎo)彈之間力和運(yùn)動(dòng)的傳遞過程中起著至關(guān)重要的作用,直接影響著導(dǎo)彈在離開彈射裝置時(shí)能否保持良好的姿態(tài)[5],安全越過干擾區(qū)。因此,考慮掛鉤機(jī)構(gòu)的影響,建立更加接近真實(shí)裝置的虛擬樣機(jī)就顯得尤為重要。

文中采用主流動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS在綜合考慮結(jié)構(gòu)的彈性變形、接觸碰撞、驅(qū)動(dòng)力函數(shù)的基礎(chǔ)上,建立含完整掛鉤機(jī)構(gòu)的內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置虛擬樣機(jī),并在此樣機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)(導(dǎo)彈質(zhì)心位置、導(dǎo)彈質(zhì)量和作動(dòng)筒的氣源壓力)的敏感性分析,研究各參數(shù)對(duì)彈射過程中分離參數(shù)的影響。文中的建模思想和研究方法為彈射裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

1 導(dǎo)彈彈射裝置動(dòng)力學(xué)模型

內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置由八連桿平衡機(jī)構(gòu)、掛鉤機(jī)構(gòu)和作動(dòng)筒組成,實(shí)現(xiàn)彈射動(dòng)作(見圖1)。上骨架為發(fā)射裝置的主要承力部件,下骨架主要用于安裝掛鉤,拉桿和搖臂用于平衡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),掛鉤用于懸掛導(dǎo)彈,作動(dòng)筒是實(shí)現(xiàn)彈射動(dòng)作的主要執(zhí)行部件。

圖1 導(dǎo)彈彈射機(jī)構(gòu)三維模型

彈射裝置的彈射過程如下所述,作動(dòng)筒受高壓氣體作用逐級(jí)展開,帶動(dòng)下骨架垂直向下運(yùn)動(dòng),下?lián)u臂分別克服阻力繞固定軸1、2轉(zhuǎn)動(dòng),并驅(qū)動(dòng)上搖臂分別繞軸3、4轉(zhuǎn)動(dòng),拉桿兩端與接觸搖臂為鉸接約束,保證左右兩部分的同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)多級(jí)彈射活塞作動(dòng)筒帶動(dòng)八連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定行程后,安裝于下骨架上的掛鉤機(jī)構(gòu)打開,將導(dǎo)彈彈射出去。圖2和圖3分別是左右掛鉤機(jī)構(gòu)的三維模型圖。左掛鉤工作原理是,垂直部件繞軸5旋轉(zhuǎn),使耳片向下運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)連接件向下運(yùn)動(dòng),鉤子大孔與掛鉤外殼共軸連接,在受連接件的作用力后繞軸6、7旋轉(zhuǎn),左掛鉤打開。同時(shí),右掛鉤垂直部件繞軸8旋轉(zhuǎn),耳片向下運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)鉤子繞與掛鉤連接軸運(yùn)動(dòng),右掛鉤打開。

圖2 左掛鉤三維模型

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕⑴c仿真

ADAMS中以剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和剛體的方位作廣義坐標(biāo)定義坐標(biāo)系?？紤]約束方程,用帶拉格朗日乘子的第一類拉格朗日方程的能量形式,建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下:

(1)

式中:T為系統(tǒng)廣義動(dòng)能;qj為廣義坐標(biāo);Qj表示在qj方向下的廣義力;Φ表示系統(tǒng)約束。

圖3 右掛鉤三維模型

2.2 建模的基本構(gòu)架

首先在SOLIDWORKS中建立彈射裝置幾何模型,然后將模型導(dǎo)入ADAMS中建立剛性仿真模型,再導(dǎo)入到PATRAN建立機(jī)構(gòu)的有限元模型,并提交NASTRAN對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析獲得模態(tài)中性文件。利用PATRAN與ADAMS的接口,把包含構(gòu)件模態(tài)信息的文件導(dǎo)入ADAMS完成剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?。文中建模流程見圖4所示。

圖4 模型建立流程圖

2.3 邊界條件

仿真中的動(dòng)力曲線,是由某廠提供的3種波形類似,峰值不同的作動(dòng)筒液壓曲線,利用ADAMS中的AKISPL(time,0,spline,0)函數(shù),分別作為邊界條件對(duì)彈射裝置進(jìn)行加載。作用于三級(jí)作動(dòng)筒上的驅(qū)動(dòng)力函數(shù)如表1所示。

表1 三級(jí)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)力函數(shù)表

表中:R1、R2、R3為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)作動(dòng)筒的半徑;d為三級(jí)作動(dòng)筒的總伸長量;s為提供的液壓曲線在ADAMS中對(duì)應(yīng)生成的樣條曲線。

3 動(dòng)力學(xué)仿真及參數(shù)敏感性分析

內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置彈架分離時(shí)導(dǎo)彈的速度、加速度、俯仰角度是驗(yàn)證彈射裝置的重要參數(shù)。為更好的研究和認(rèn)識(shí)彈射裝置的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)下面幾個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析:1)對(duì)比剛性模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡鏀?shù)據(jù),分析彈性變形的影響;2)對(duì)比導(dǎo)彈質(zhì)心不同的仿真結(jié)果,分析質(zhì)心位置的影響;3)對(duì)比導(dǎo)彈不同質(zhì)量下的仿真結(jié)果,研究彈射裝置的普適性;4)對(duì)比不同氣源壓力下的仿真結(jié)果,分析氣源壓力對(duì)導(dǎo)彈分離參數(shù)的影響。

(4)高職泛在學(xué)習(xí)資源需要保證知識(shí)點(diǎn)的連貫性和交叉性。知識(shí)是相互關(guān)聯(lián)的，不是孤立存在的。而現(xiàn)有的資源多是以課程為單位來建立資源庫，課程與課程之間的聯(lián)系并沒有在資源庫中體現(xiàn)出來。比如，《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)》和《C#程序設(shè)計(jì)》這兩門課就不是孤立地去學(xué)，學(xué)完的最終目的是需要用c#程序作為前臺(tái)和數(shù)據(jù)庫作為后臺(tái)數(shù)據(jù)支撐實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的信息系統(tǒng)。當(dāng)前的教學(xué)資源建設(shè)就沒有考慮到這一點(diǎn)，而是作為兩門獨(dú)立的課程分別開發(fā)。類似的課程還有很多。為了避免所構(gòu)建的教學(xué)資源成為一個(gè)個(gè)的“信息孤島”，應(yīng)該考慮到知識(shí)點(diǎn)的交叉性。同時(shí)，為了滿足高職學(xué)生的碎片化學(xué)習(xí)方式，在開發(fā)資源時(shí)應(yīng)該考慮以知識(shí)點(diǎn)來進(jìn)行開發(fā)，而不是以課程為單位。

3.1 剛性模型與剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡鏀?shù)據(jù)對(duì)比

彈射裝置中構(gòu)件的結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形,并且當(dāng)外部激勵(lì)在結(jié)構(gòu)的固有頻率附近時(shí)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生共振。這些都會(huì)影響彈架分離時(shí)導(dǎo)彈的分離姿態(tài)?？紤]結(jié)構(gòu)彈性變形的影響,將構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理,建立剛?cè)狁詈系姆抡婺Ｐ汀D5～圖7分別是剛性模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膶?dǎo)彈質(zhì)心的速度、加速度和導(dǎo)彈俯仰角度的對(duì)比圖。

圖5 導(dǎo)彈速度曲線

圖5表明,導(dǎo)彈彈射過程中速度與時(shí)間成正比,彈射裝置的彈性變形會(huì)使導(dǎo)彈的分離速度加快,從而會(huì)縮短彈架分離所用的時(shí)間。

圖6 導(dǎo)彈加速度曲線

圖7 導(dǎo)彈俯仰角度曲線

圖8 導(dǎo)彈速度曲線

圖6為導(dǎo)彈質(zhì)心的加速度曲線,從圖中可以看出導(dǎo)彈的加速度大體分為3個(gè)級(jí)階段,這與三級(jí)作動(dòng)筒上的氣源壓力相對(duì)應(yīng),且三個(gè)階段耦合模型的加速度值均大于剛性模型的加速度,與分離速度曲線變化相一致。圖7反映了彈射裝置的彈性變形對(duì)導(dǎo)彈俯仰角度有較大影響,當(dāng)考慮彈射裝置的彈性變形時(shí),導(dǎo)彈的俯仰角度會(huì)隨之增大,更為接近真實(shí)情況。

3.2 導(dǎo)彈質(zhì)心位置對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響

導(dǎo)彈生產(chǎn)工藝誤差可能造成導(dǎo)彈質(zhì)心位置的改變,通過改變導(dǎo)彈質(zhì)心的位置,研究其對(duì)導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響。圖8～圖10分別為質(zhì)心在設(shè)計(jì)位置,設(shè)計(jì)位置前,設(shè)計(jì)位置后的導(dǎo)彈速度、加速度和俯仰角度對(duì)比圖。

圖8～圖9表明當(dāng)導(dǎo)彈質(zhì)心位置在一定范圍內(nèi)前移或者后移對(duì)導(dǎo)彈分離速度、加速度不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。從圖10中可以看出,質(zhì)心位置越靠前導(dǎo)彈俯仰角度越大。這說明導(dǎo)彈質(zhì)心位置對(duì)該彈射裝置的影響較大,發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)要充分考慮導(dǎo)彈質(zhì)心位置對(duì)導(dǎo)彈俯仰角度的影響。

圖9 導(dǎo)彈加速度曲線

圖10 導(dǎo)彈俯仰角度曲線

3.3 導(dǎo)彈質(zhì)量對(duì)彈射裝置的影響

不同型號(hào)的導(dǎo)彈質(zhì)量不同,為檢驗(yàn)彈射裝置的通用性,修改導(dǎo)彈的質(zhì)量分別為205 kg、305 kg和405 kg進(jìn)行仿真,研究導(dǎo)彈質(zhì)量對(duì)彈射過程中動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響。仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 導(dǎo)彈速度曲線

圖11～圖13表明,導(dǎo)彈的速度、加速度與導(dǎo)彈的質(zhì)量成反比關(guān)系,且導(dǎo)彈質(zhì)量等差增加時(shí),其末速度的增量呈變小趨勢(shì)。與理論分析相一致,彈架分離的時(shí)間隨導(dǎo)彈質(zhì)量的增加而變長。這就說明該導(dǎo)彈彈射裝置在投放導(dǎo)彈時(shí),要考慮所攜帶導(dǎo)彈的質(zhì)量因素,才能更為準(zhǔn)確的擊中目的地。

3.4 氣源壓力對(duì)導(dǎo)彈分離參數(shù)的影響

彈射裝置可能在不同的氣源壓力下彈射導(dǎo)彈,在其它條件不變的情況下,使作動(dòng)筒上氣源壓力曲線的峰值分別為10.3 MPa、14.4 MPa、18.0 MPa進(jìn)行仿真。圖14～圖16分別為3種氣源壓力下導(dǎo)彈質(zhì)心速度、加速度和俯仰角度的對(duì)比圖。

圖12 導(dǎo)彈加速度曲線

圖13 導(dǎo)彈俯仰角度曲線

圖14 導(dǎo)彈速度曲線

圖15 導(dǎo)彈加速度曲線

圖14～圖16表明作動(dòng)筒氣源壓力對(duì)導(dǎo)彈的速

圖16 導(dǎo)彈俯仰角度曲線

度、加速度和俯仰角度有影響。在一定范圍內(nèi)可通過增大作動(dòng)筒的氣源壓力來提高導(dǎo)彈的分離速度。

4 結(jié)論

文中以內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置為研究對(duì)象,將ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真與PATRAN有限元分析相結(jié)合,對(duì)八連桿機(jī)構(gòu)和掛鉤機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)做了精確的建模,實(shí)現(xiàn)了對(duì)某內(nèi)置式導(dǎo)彈彈射裝置的敏感性分析。文中在結(jié)構(gòu)的彈性變形,驅(qū)動(dòng)力函數(shù)方程,構(gòu)件間接觸力等考慮的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)彈射裝置中的掛鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精確完整的建模,使得所建立的內(nèi)置式彈射裝置仿真模型更為接近真實(shí)裝置。用所建的模型對(duì)彈射過程中的導(dǎo)彈質(zhì)心位置、導(dǎo)彈質(zhì)量、作動(dòng)筒氣源壓力參數(shù)進(jìn)行一系列的對(duì)比分析,找出了各個(gè)參數(shù)變化對(duì)彈射過程中導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律,為裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供依據(jù)。

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Simulation Modeling and Parameter Sensitivity Analysis of Airborne Missile Ejection Device

LIANG Qianqian,LIU Yongshou,GAO Zongzhan

(Department of Engineering Mechanics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

Due to influence on missile separation parameter caused by elastic deformation and hook collision in multi-body dynamic simulation of missile ejection device, a missile ejection launcher with hook device and rigid-flexible coupled multi-body dynamic model was proposed. Based on elastic deformation theory and multi-body dynamics theory, the rigid-flexible coupling dynamic model of ejection device was established using PATRAN and ADAMS, and sensitivity of the model parameters was analyzed. The simulation results show that elastic deformation of structure, mass center and missile quality and air supplying pressure of actuating cylinder have influences on missile separation attitude.

ejection device; rigid-flexible coupling; sensitivity analysis; multi-body dynamics; dynamics simulation

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金(51205312)資助

梁倩倩(1991-),女,河南焦作人,碩士研究生,研究方向:多體動(dòng)力學(xué)仿真。

TJ768.2

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