李娟

（航空工業(yè)鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州450005）

1 概述

主接頭是回轉投放懸掛裝置的主要承力部件，具有鎖閉及彈射投放功能。主接頭處于鎖閉狀態(tài)時，實現懸掛物的掛載；主接頭在高壓氣體作用下解鎖后，實現裝置及懸掛物的整體投放。懸掛狀態(tài)時，主接頭鋼球鎖結構由于非線性接觸的不確定性、滑動摩擦系數突變，受到沖擊振動后會發(fā)生連接形式的失效；回轉投放過程中，整個裝置及懸掛物從兩點連接變?yōu)橐稽c連接對后尾鉤承力及回轉結構的載荷影響，飛機高速飛行產生的氣動載荷影響、載重量增大帶來的投放載荷、回轉過程重心位置的變化等耦合因素對投放運動軌跡的控制，為回轉投放懸掛裝置主接頭動力學建模及分析技術研究難題[1]。

多體系統(tǒng)動力學的研究對象是由任意有限個構件組成的系統(tǒng)。構件之間以某種形式的約束連接，這些約束可以是理想完整約束、非完整約束、定?；蚍嵌ǔ＜s束[2]。研究多體系統(tǒng)動力學，需要建立非線性運動方程、能量表達式、運動學表達式以及其它一些公式。目前應用于多剛體系統(tǒng)動力學的方法主要有以下幾種:牛頓一歐拉法、拉格朗日方程法、羅伯森－維登伯格法和凱恩方法等[3]。ADAMS 軟件是目前工程界應用最廣泛且具有權威性的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，占據市場的51%。本文基于Adams 對主接頭進行多體動力學仿真分析。

2 主接頭工作原理

主接頭主要由筒體、筒體環(huán)槽、活塞、錐形體、鋼球或楔快組成。常見的主接頭有鋼球式主接頭（如圖1 所示）和楔塊式主接頭（如圖2 所示）。鋼球或楔快卡滯在筒體環(huán)槽和錐形體之間，實現筒體和錐形體的鎖定，保證主接頭構的懸掛功能實現；活塞在高壓氣體作用下運動，解除鋼球或楔快在筒體環(huán)槽內的鎖定，實現主接頭的投放功能實現。鋼球或楔塊的承載能力直接關系到主接頭在懸掛狀態(tài)的鎖閉穩(wěn)定性，以及在投放狀態(tài)下所需要的高壓氣體作動力。

3 動力學方程[4]

ADAMS 軟件根據機械系統(tǒng)模型，自動建立系統(tǒng)的拉格朗日運動方程。對于每一個剛體，可以列出6 個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程及相應的約束方程：

圖1 鋼球式主接頭模型

圖2 楔快式主接頭模型

對于上述代數微分方程的求解方法有多種，比如可將二階微分方程降階為一階微分方程來求解，或直接對二階微分方程進行積分求解。ADAMS 軟件則采用了前一種方法，即將所有的拉格朗日方程均寫成一階微分方程形式，并引入u =?q ?t

得到：

式中 F = f (u ˙ , u , q , λ, t)，為系統(tǒng)動力學微分方程及用戶定義的微分方程（如用于控制的微分方程、非完整約束方程）。同時ADAMS 軟件列出6 個一階運動方程（將位置與速度聯(lián)系）：

此外還有系統(tǒng)約束方程、外力方程和自定義的代數微分方程，其表達式如下：

4 ADAMS 動力學仿真

在ADAMS 中建立主機頭的仿真模型，并建立鋼球或楔塊與筒體、錐形體、活塞之間的接觸力沖擊函數。沖擊函數法用彈簧-阻尼模型來表示，是根據impact 函數來計算兩個構件之間的碰撞力，碰撞力由兩個部分組成：一個是由于兩個構件之間的相互侵入而產生的彈性力；另一個是由于相對速度產生的阻尼力[5]。

impact 函數的一般表達式為：

式中：k 為剛度系數；δ 為侵入深度； d δ/dt滲透速度；e為滲透深度的指數；Cmax為最大阻尼系數，用于表征接觸能量損失；dmax是使阻尼達到最大值時的侵入深度；step 函數為階躍函數。

通過運用Adams 對鋼球式主接頭和楔塊式主接頭進行動力學仿真分析，模擬回轉投放懸掛裝置掛載狀態(tài)時的沖擊試驗環(huán)境，將國軍標中規(guī)定的裝置沖擊試驗方法和加速度沖擊脈沖進行仿真模型表達，將沖擊函數作為沖擊仿真的輸入，分析主接頭機構是否會發(fā)生意外開鉤，從而導致懸掛物意外釋放。得出在沖擊環(huán)境下，鋼球式主接頭的最大承載力為21875N，楔塊式主機頭的最大承載力為26250N。如圖3 所示。

圖3 掛載沖擊環(huán)境鋼球式主接頭與楔塊式主接頭承載力

模擬回轉投放懸掛裝置投放環(huán)境，并耦合了整個裝置及懸掛物從兩點連接變?yōu)橐稽c連接對主接頭的載荷影響，飛機高速飛行產生的氣動載荷影響、載重量增大帶來的投放載荷、回轉過程重心位置的變化等因素，分析主機頭解鎖、投放、分離的整個過程。得出在投放環(huán)境下，鋼球式主接頭所需最大解鎖投放力為35281N，楔塊式主機頭所需最大解鎖投放力為45866N。如圖4 所示。

圖4 掛載沖擊環(huán)境鋼球式主接頭與楔塊式主接頭投放力

通過對比分析，得出回轉投放懸掛裝置掛載狀態(tài)時，楔塊式主機頭的承載力是鋼球式主接頭的承載力的1.2 倍；但是投放環(huán)境，楔塊式主機頭的所需投放力是鋼球式主接頭的投放力的1.3 倍。

5 結論

通過ADAMS 對回轉投放懸掛裝置主接頭進行建模和仿真，得出了楔塊式主接頭的承載能力高于鋼球式主接頭的承載能力，但是楔塊式主接頭所需要的開鉤解鎖力也高于鋼球式主接頭。在實際工作中，可以根據戰(zhàn)機沖擊環(huán)境、懸掛物的質量及重心位置選擇合適的主接頭結構形式。

通過應用Adams 對系統(tǒng)進行動力學仿真，為定量分析主接頭的動力學特性提供參考，方便指導設計開發(fā)，有效縮短研制周期。