孫東輝，諶志聰

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

在航空懸掛發(fā)射裝置研究領(lǐng)域，導(dǎo)彈模型按用途分可分為外形彈、質(zhì)量彈和振動(dòng)彈。外形彈與真彈的外觀、尺寸一致，主要用于產(chǎn)品展示和試裝干涉性檢查。質(zhì)量彈模擬彈的重量和重心位置、電器接口、機(jī)械接口及關(guān)鍵外形，用于懸掛發(fā)射裝置一般的投放功能性試驗(yàn)。振動(dòng)彈不僅模擬彈的重量、重心位置、電器接口、機(jī)械接口、主要外形外，還需模擬彈重心坐標(biāo)系下三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用于懸掛發(fā)射裝置振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)輸入分析

本文假設(shè)一種航空用導(dǎo)彈模型的設(shè)計(jì)輸入如下：導(dǎo)彈外形如下圖1，量重172±3kg，Jy=Jz=162kg·m2，前、后滑塊相同都是標(biāo)準(zhǔn)“T”型滑塊，吊距1340mm，重心位于彈中心軸線前滑塊航后300mm處。Jy、Jz分別為Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。坐標(biāo)系采用右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)處于重心。從設(shè)計(jì)要求可以看出這是屬于振動(dòng)彈的設(shè)計(jì)類型，也是外形彈，質(zhì)量彈和振動(dòng)彈這三種類型模擬彈中最為復(fù)雜的一種。

圖1 航空導(dǎo)彈模型

2 初步設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也被稱作質(zhì)量慣性矩或慣距，是衡量改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)難易程度的物理量，從質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式I=mr2不難看出，其大小取決于物體的質(zhì)量分布及質(zhì)點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸間的距離。理解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量本質(zhì)含義有助于對(duì)模擬彈得結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

圖1中為帶翼導(dǎo)彈模型，按要求本文設(shè)計(jì)的是振動(dòng)彈所以可以忽略彈翼。通常模擬彈主要由圓管、芯軸、彈頭、錐筒和圓盤焊接組成，這樣的形式整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，圓管按實(shí)際情況通常采用分段加工再組合焊接而成，分段的好處是：第一，方便吊耳座或滑塊安裝座在筒體內(nèi)部的焊接。第二，采用不同壁厚的管料有利于調(diào)整彈體的質(zhì)量分布，重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。筒體壁厚是決定彈x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的主要因素，而彈體的長(zhǎng)度、彈頭、錐筒、配重圓盤的重量及它們距Y軸的距離決定了彈y軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重心的位置，由于彈的基本特征為圓形（中心對(duì)稱圖形）故Jy≈Jz。振動(dòng)彈設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于同時(shí)要保證彈的重量，重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以要不斷地調(diào)整模型才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2 模擬彈初步構(gòu)形

總上所述，模擬彈的主要外形為彈外徑、彈頭部分，電連接器采用真實(shí)型號(hào)的原器件，參照GJB-1C具體尺寸設(shè)計(jì)滑塊，對(duì)模擬彈進(jìn)行初步粗略設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2。滑塊在彈體上通過(guò)兩個(gè)銷釘定位、四個(gè)高強(qiáng)度螺栓與支塊聯(lián)接，如圖3。分段彈體之間的連接形式如圖4，通過(guò)臺(tái)階孔配合焊接成一體。

3 CATIA建模

按照3中的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合圖1尺寸，利用CATIA軟件對(duì)模擬彈的組成零件分別進(jìn)行粗略建模。圖1重心位置尺寸是以前滑塊為參考的，為了在裝配環(huán)境下方便對(duì)質(zhì)量屬性的讀取，對(duì)前滑塊建模的時(shí)候要注意零件的坐標(biāo)點(diǎn)的選取。將彈體的X軸作為前滑塊的X軸，YZ平面為前滑塊X軸方向的對(duì)稱平面。CATIA裝配體中默認(rèn)是沒(méi)有坐標(biāo)系顯示的，可以測(cè)量得到重心、慣量等信息，但是并不知道這是相對(duì)哪個(gè)坐標(biāo)系的，為解決此問(wèn)題可以新建一個(gè)裝配體，再在裝配環(huán)境下新建一零部件，按提示將裝配體的原點(diǎn)定義為零部件的原點(diǎn)，這樣裝配體的坐標(biāo)系就顯示出來(lái)了。將前滑塊作為第一個(gè)零件插入，通過(guò)約束命令將前滑塊的原點(diǎn)移動(dòng)到當(dāng)前坐標(biāo)系，再施加固定約束，刪除新建部件，依次對(duì)建好的模型進(jìn)行裝配，這樣就可以用零部件的原點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量了。裝配后的模型如圖5所示。

圖3 航空導(dǎo)彈模型

圖4 彈體間聯(lián)接形式

圖5 CATIA中的裝配模型

4 確立最終設(shè)計(jì)模型

模型建立后，設(shè)置零件的材料屬性，這里主要需要的是材料密度，統(tǒng)一選取常用普通碳鋼Q235，密度7850kg/m3，工具欄點(diǎn)擊CATIA中的圖標(biāo)就可以測(cè)量模擬彈裝配體的質(zhì)量屬性了。由以上對(duì)影響模擬彈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的因素分析，經(jīng)過(guò)在CATIA中更改零件模型的結(jié)構(gòu)尺寸，更新裝配體，多次比較最終確立了零部件具體的結(jié)構(gòu)尺寸，測(cè)量的模擬彈質(zhì)量屬性的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 CATIA中彈的質(zhì)量屬性

Gx、Gy、Gz分 別 為 重 心 的 坐 標(biāo)，Gx≈ 300mm表示重心在彈的中心軸線上距前滑塊航后300mm處，M1≈M2≈161.82kg·m2分別就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jy，Jz。按照經(jīng)典的力學(xué)均質(zhì)物體重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式和平行軸定理經(jīng)過(guò)對(duì)彈模型分割簡(jiǎn)化計(jì)算得到的結(jié)果如表1。

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)CATIA計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化算法結(jié)果極為相近，滿足設(shè)計(jì)給定的要求，也說(shuō)明了CATIA在模型質(zhì)量屬性測(cè)量方面的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文介紹了航空懸掛發(fā)射裝置用導(dǎo)彈模擬彈的種類及用途，并詳細(xì)講述了如何運(yùn)用CATIA對(duì)其較為復(fù)雜的一種振動(dòng)彈進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟和方法。（2）將經(jīng)典力學(xué)公式計(jì)算所得和CATIA測(cè)得的彈的質(zhì)量屬性進(jìn)行比較，驗(yàn)證了借助CATIA對(duì)模擬彈進(jìn)行設(shè)計(jì)這種手段的可行性。（3）外形彈和質(zhì)量彈的設(shè)計(jì)同樣都可以借鑒振動(dòng)彈的設(shè)計(jì)方法和思路。

表1 結(jié)果數(shù)據(jù)比較