李海軍， 王殿宇， 陳育良

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系， 山東 煙臺(tái) 264001)

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基于Solidworks與ADAMS機(jī)載導(dǎo)彈彈射機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與聯(lián)合仿真

李海軍， 王殿宇， 陳育良

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系， 山東 煙臺(tái) 264001)

摘要:針對(duì)我國目前傳統(tǒng)機(jī)載導(dǎo)彈彈射裝置的弊端， 提出一種采用EHA作為動(dòng)力源， 壓縮彈簧蓄能彈射的新型彈射裝置. 利用Solidworks建模軟件建立彈射裝置的三維裝配模型， 將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中， 并設(shè)計(jì)邊界條件及約束條件， 對(duì)彈射過程進(jìn)行仿真分析. 仿真結(jié)果表明， 本文所設(shè)計(jì)的彈射裝置合理可行， 滿足彈射技術(shù)要求.

關(guān)鍵詞:機(jī)載導(dǎo)彈； 彈射裝置； 彈簧蓄能； 聯(lián)合仿真

目前， 我國彈射式發(fā)射裝置中的“熱”彈射大多采用拋放彈作為動(dòng)力源， “冷”彈射通常采用高壓氮?dú)馄孔鳛閯?dòng)力源， 這兩種彈射方式均具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)[1-3]. 拋放彈彈射的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體， 由于高溫高壓易燒蝕機(jī)件， 故每次發(fā)射后需對(duì)掛鉤等部件清洗擦拭， 導(dǎo)致日常維護(hù)危險(xiǎn)性高[4]. 高壓氣瓶彈射的缺點(diǎn)是氣瓶體積大， 質(zhì)量大， 充放氣時(shí)間長(zhǎng)， 不能滿足部隊(duì)快速反應(yīng)的要求.

1總體設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前被廣泛應(yīng)用的兩種彈射動(dòng)力源的弊端， 本文提出一種利用電靜液作動(dòng)器EHA壓縮彈簧蓄能作為彈射動(dòng)力源的新型冷彈裝置[5]， 此方案既不會(huì)對(duì)零部件造成燒蝕污染， 又可以保證壓縮蓄能的快速性， 可以自主提供彈射能源， 縮短飛機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間. 總體方案設(shè)計(jì)如圖 1 所示.

圖 1　總體設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1　The overall design diagram

彈射裝置的工作流程為[6]： ① 飛行員根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)， 在投放前發(fā)出蓄能指令； ② EHA作動(dòng)器工作， 壓縮彈簧蓄能， 當(dāng)彈簧被壓縮至預(yù)定位置時(shí)， 相應(yīng)微動(dòng)開關(guān)閉合， 蓄能停止， 液壓缸保持一定壓力； ③ 發(fā)出彈射投放指令； ④ 電磁開鎖機(jī)構(gòu)產(chǎn)生開鎖力， 使掛鉤組件與彈射組件的閉鎖裝置打開； ⑤ 彈射止動(dòng)器的彈射桿在彈簧力作用下推動(dòng)導(dǎo)彈向下推出， 導(dǎo)彈被投放； ⑥ 彈射行程終止時(shí)， EHA作動(dòng)器換向工作， 將彈射桿回收.

2彈簧蓄能可行性分析

彈簧蓄能方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可靠性強(qiáng)， 能夠減輕彈射裝置的整體質(zhì)量. 利用彈簧蓄能彈射能否達(dá)到國軍標(biāo)所要求的分離速度， 選取合適的彈簧是關(guān)鍵， 因此必須以設(shè)計(jì)要求來選定彈簧的尺寸參數(shù). 若單圈彈簧不能達(dá)到要求， 還可以采用并聯(lián)彈簧的形式， 在同樣的壓縮量下可以達(dá)到更大的彈性勢(shì)能， 以此來控制彈射裝置的尺寸和體積， 并且可以滿足不同質(zhì)量懸掛物的分離速度要求[7，8].

由動(dòng)能定理可得

(1)

式中：m為懸掛物質(zhì)量；v為彈射行程終點(diǎn)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(dòng)力做功.

在不考慮W的情況下， 得到v與k的關(guān)系式為

(2)

參考類似彈射發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)尺寸， 將彈簧桿長(zhǎng)度暫定為300 mm， 壓縮量暫定為150 mm， 重力加速度g設(shè)為9.8 m/s2. 代入式(2)， 并在Matlab中編寫程序， 得到如圖 2 所示分離速度v與彈簧剛度系數(shù)k的函數(shù)關(guān)系曲線.

從圖 2 可以觀察到， 當(dāng)彈簧剛度系數(shù)k取值范圍在44 000 N/m～174 000 N/m之間時(shí)， 彈射分離速度理論上可以達(dá)到4.8 m/s～9 m/s.

又知彈簧剛度系數(shù)公式為

(3)

式中：G為彈簧材料切變模量；n為彈簧有效圈數(shù)；D為彈簧直徑；d為彈簧線徑. 選取目前應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)度、 耐熱腐蝕的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(dá)到83 160 MPa. 查閱彈簧手冊(cè)可知長(zhǎng)度為300 mm的彈簧通?？?cè)?shù)n0為16圈， 有效圈數(shù)n可取14， 旋繞比5

圖 2　懸掛物分離速度-彈簧剛度系數(shù)曲線Fig.2　Suspension separation speed-springstiffness coefficient curve

圖 3　彈簧剛度系數(shù)-彈簧線徑曲線Fig.3　The spring stiffness coefficient-springwire diameter curve

根據(jù)彈射桿尺寸， 選取彈簧線徑d=8 mm， 代入式(3)可得k≈140.8 N/mm， 在取值范圍之內(nèi). 由分離速度與彈簧剛度系數(shù)曲線可得v≈7.96 m/s， 所需預(yù)加壓縮力為F=kx=21 120 N. 此時(shí)彈簧可壓縮量Δx=l-n0×d=172 mm， 故可以達(dá)到預(yù)定的150 mm壓縮量.

3三維模型的建立與裝配

圖 4　彈射蓄能機(jī)構(gòu)三維模型Fig.4　The ejection institutions assemblybody figure

Solidworks軟件是世界上第一套基于Windows開發(fā)的三維CAD建模系統(tǒng). 由于采用了智能化的參變量式設(shè)計(jì)理念以及Windows圖形化用戶界面， Solidworks具有出色的幾何實(shí)體建模和分析能力. SolidwWorks被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是三維機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的“領(lǐng)先者”， 并且被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)中， 已經(jīng)成為了三維CAD設(shè)計(jì)的主流軟件.

根據(jù)設(shè)計(jì)需求合理地應(yīng)用草圖繪制工具和特征工具， 可以繪制出各種復(fù)雜的零件實(shí)體造型. 針對(duì)本文所研究的彈射裝置， 主要包括彈射機(jī)構(gòu)、 掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)以及同步解鎖機(jī)構(gòu)的模型， 每個(gè)機(jī)構(gòu)中又包含許多零部件.

3.1彈射蓄能機(jī)構(gòu)模型

壓縮蓄能時(shí)， 液壓桿推動(dòng)彈射桿頂部金屬座往下壓， 當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓縮量時(shí)， EHA控制液壓鎖的滑閥移動(dòng)到中間位， 使油路阻塞， 液壓桿停止壓縮并被固定??； 彈射時(shí)， 通過同步解鎖機(jī)構(gòu)推動(dòng)楔形塊解開彈射桿與套筒之間的約束， 彈射桿內(nèi)第二級(jí)活塞瞬間彈射作用在懸掛物上. 回收時(shí)， EHA控制液壓桿帶動(dòng)彈射桿向上回收， 楔形塊碰到套筒底部邊緣回縮進(jìn)金屬座內(nèi). 彈射蓄能機(jī)構(gòu)整體模型如圖 4 所示.

3.2掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)

本文所采用的掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)為某型掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu). 它通過外力同時(shí)作動(dòng)前后兩個(gè)解鎖搖臂， 通過連桿運(yùn)動(dòng)使前后掛鉤同時(shí)失去滾輪搖臂的支撐， 在開鉤作用力、 扭簧和載荷的作用下同步打開前后掛鉤； 由于分為前后兩組， 可分別傳動(dòng)， 當(dāng)掛物懸掛時(shí)， 吊耳分別頂壓前后掛鉤的鼻狀臂， 使掛鉤旋轉(zhuǎn)， 滾輪從掛鉤凹槽中滑出， 在扭簧作用下， 作動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 當(dāng)?shù)醵享數(shù)轿粫r(shí)， 滾輪進(jìn)入掛鉤鎖閉位置， 掛鉤閉鎖. 其開閉鎖示意圖如圖 5， 圖 6 所示.

圖 5　掛鉤閉鎖狀態(tài)裝配體圖Fig.5　Hook closure state assembly diagram

圖 6　掛鉤開鎖狀態(tài)裝配體圖Fig.6　Hook lock state assembly diagram

3.3同步解鎖機(jī)構(gòu)

圖 7　同步解鎖機(jī)構(gòu)裝配體圖Fig.7　Synchronous unlock institutions assembly body figure

如圖 7 所示， 利用杠桿原理設(shè)計(jì)類似于鉗子的省力裝置來進(jìn)行同步解鎖. 此同步解鎖裝置由兩個(gè)S形曲桿和一系列連桿組成， 上半部分環(huán)繞在彈簧桿套筒外圍， 兩滑塊對(duì)準(zhǔn)彈簧桿底座的楔形塊； 在中間連接部分打孔， 并通過銷子固定， 兩曲桿以銷子為中心轉(zhuǎn)動(dòng)； 底部通過連桿與掛鉤閉鎖裝置上的解鎖搖臂相連接， 解鎖時(shí)電磁鐵通電， 吸力使解鎖搖臂下壓， 下壓同時(shí)帶動(dòng)連桿拉動(dòng)同步解鎖裝置， 連桿又帶動(dòng)兩邊曲桿收緊， 使滑塊推動(dòng)楔形塊回縮， 從而解鎖彈射桿.

3.4總體裝配圖

圖 8　彈射裝置總裝配體圖Fig.8　The assembly diagram of the ejection device

3個(gè)子裝配體完成后， 就可以進(jìn)行彈射裝置總體模型地裝配. 將掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)的模型作為總體裝配的基準(zhǔn)， 在此裝配體中插入同步解鎖機(jī)構(gòu)模型和彈射桿機(jī)構(gòu)模型. 裝配過程中需要子裝配體保持整體而不會(huì)散動(dòng)， 裝配完成后設(shè)置所有子裝配體， 將其零件屬性從剛性改為柔性即可實(shí)現(xiàn)各零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng). 按照設(shè)計(jì)需求設(shè)定各零部件之間的配合關(guān)系， 得到總裝配體如圖 8 所示.

4ADAMS模型的建立

圖 9　ADAMS動(dòng)力學(xué)模型Fig.9　The dynamic model of ADAMS

將Solidworks模型導(dǎo)入ADAMS后， 只保存了各部分零件的三維造型及相對(duì)位置， 失去了在Solidworks中設(shè)置好的配合關(guān)系， 因此需要利用ADAMS提供的約束庫重新對(duì)各零部件之間添加約束關(guān)系， 以將零件重新組裝成能運(yùn)動(dòng)的整體模型.

為了實(shí)現(xiàn)模型的運(yùn)動(dòng)仿真， 還需要添加驅(qū)動(dòng)載荷. 對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的彈射裝置而言， 需要添加的有作用在解鎖搖臂上的解鎖力、 作用在彈射桿上的彈簧力、 彈射桿與導(dǎo)彈彈體表面的接觸力、 導(dǎo)彈自身的重量. 另外， 還需要添加重力作用， 使仿真結(jié)果更貼近實(shí)際情況. 為了簡(jiǎn)化模型， 這里只設(shè)置導(dǎo)彈的重量， 不考慮彈射架零件的自重. 將懸掛物質(zhì)量設(shè)置為100 kg， 彈簧剛度系數(shù)設(shè)為 140.8 N/mm， 預(yù)加壓縮力為 22 120 N. 添加約束與載荷之后， 得到動(dòng)力學(xué)模型如圖 9 所示.

5仿真分析

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間， 明確仿真目標(biāo)， 將仿真分為兩個(gè)階段. 第一階段為同步解鎖階段， 對(duì)掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)和同步解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真. 第二階段為彈射分離仿真階段， 對(duì)彈射桿和懸掛物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[9].

5.1同步解鎖階段仿真

在同步解鎖曲桿與楔形塊之間設(shè)置實(shí)體接觸力， 將仿真時(shí)間設(shè)置為0.01 s， 可以得到接觸力曲線如圖 10 所示.

圖 10　楔形塊接觸力-時(shí)間曲線Fig.10　Contact force of wedge block-time curve

從圖 10 可以觀察到， 由于連桿傳動(dòng)的延遲， 在0.002 2 s時(shí)同步解鎖曲桿才開始運(yùn)動(dòng)， 推動(dòng)楔形塊解鎖. 其作用力最大達(dá)到43.1 N. 之后由于受到楔形塊彈簧的作用， 接觸力逐漸變小， 直到曲桿與金屬座碰撞， 接觸力消失[10].

圖 11　楔形塊速度-時(shí)間曲線Fig.11　Wedge block speed-time curve

從圖 11 及圖 12 可以看出， 楔形塊速度先增后減， 在與曲桿脫離接觸之后由于慣性作用繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離， 其位移超過20 mm， 可以完全回縮進(jìn)金屬座內(nèi)， 完成解鎖動(dòng)作.

圖 12　楔形塊位移-時(shí)間曲線Fig.12　Wedge block displacement-time curve

5.2彈射分離階段仿真

從圖 13 和圖 14 中懸掛物的速度與加速度曲線可以觀察到， 彈射開始時(shí)， 懸掛物由于彈射桿彈簧力和重力的共同作用， 獲得了很大的加速度， 其豎直向下的速度也不斷增大； 當(dāng)彈射運(yùn)動(dòng)到0.032 s時(shí)， 懸掛物與彈射桿分離， 此時(shí)懸掛物只受重力作用， 所以其加速度為重力加速度.

圖 13　懸掛物速度-時(shí)間曲線Fig.13　Speed-time curve of suspension

圖 14　懸掛物加速度-時(shí)間曲線Fig.14　Acceleration-time curve of suspension

由于設(shè)置了阻尼系數(shù)， 從速度曲線圖 13 可得懸掛物的分離速度約為6.05 m/s， 分離加速度約為344.5 m/s2. 其中分離速度雖小于理論計(jì)算結(jié)果7.96 m/s， 但仍符合國軍標(biāo)4.8 m/s～9 m/s的分離速度要求.

6結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)彈射裝置的缺點(diǎn)， 本文設(shè)計(jì)了一種采用EHA作為彈射動(dòng)力源， 壓縮彈簧進(jìn)行蓄能彈射的新型冷彈裝置. 重點(diǎn)進(jìn)行了彈射裝置三維模型的建立， 并將其導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析， 驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性， 通過本文的研究， 為新型彈射裝置的設(shè)計(jì)提供了新的思路和比較重要的參考.

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Design and Combined Simulation Based on Solidworks and ADAMS Ejection Mechanism

LI Haijun, WANG Dianyu, CHEN Yuliang

(Dept. of Armament Science and Technology,Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:According to the disadvantages of traditional airborne missile ejection mechanism in our country, a new type of ejection compression spring energy storage ejection mechanism which uses the EHA as a sources of power is presented in this paper. Using Solidworks modeling software to establish 3 d assembly model of ejection device, import it into large dynamics analysis software ADAMS. Design boundary conditions and constraints of the ejection process simulation analysis. The simulation results show that the designed ejection mechanism and is feasible, meet the ejection technical requirements.

Key words:airborne missile; ejection mechanism; spring accumulator; combined simulation

中圖分類號(hào):TJ760.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.003

作者簡(jiǎn)介：李海軍(1966-)， 教授， 博士， 主要從事航空導(dǎo)彈測(cè)試與故障診斷的研究.

收稿日期:2015-11-05

文章編號(hào):1671-7449(2016)01-0010-07