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        航炮后坐對供彈系統(tǒng)影響的半實(shí)物仿真系統(tǒng)及動力學(xué)的仿真分析

        2021-06-17 06:53:42張洋劉聰
        電子制作 2021年1期
        關(guān)鍵詞:供彈樣機(jī)實(shí)物

        張洋,劉聰

        (中國飛行試驗(yàn)研究院,陜西西安,710089)

        0 引言

        為了提升航空自動武器的射速及可靠性,需對其供彈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)單鏈供電技術(shù)容易受剛度及強(qiáng)度因素的限制,所以無法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)彈,對于射速要求也無法滿足。此時,無鏈供彈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,該技術(shù)自身精度、耗能、可靠性及機(jī)械性與傳統(tǒng)彈鏈供應(yīng)技術(shù)相比優(yōu)勢凸顯。近年來,科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,促使該技術(shù)在高射速自動武器方面應(yīng)用愈加廣泛。供彈結(jié)構(gòu)在自動武器機(jī)構(gòu)中最為復(fù)雜,因供彈結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成武器故障的幾率占總故障的30%-70%。為了使高速無鏈供彈系統(tǒng)動作可靠性得以有效提高,同時,避免因卡彈、停射導(dǎo)致武器不能正常工作的情況,故對高射速航空自動武器無鏈供彈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改善與優(yōu)化,在現(xiàn)階段社會發(fā)展進(jìn)程中是非常有必要的。

        1 高速無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

        圖1 高速無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        根據(jù)圖1高速無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可見,該系統(tǒng)可分為兩部分,分別為結(jié)構(gòu)部分和控制部分,其中控制部分主要是對傳感器與中心數(shù)控器的控制,而結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜,包括彈箱、后座模擬系統(tǒng)、閉合彈鏈與彈藥等。后座模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為圓柱凸輪,通過與自動供彈的連接實(shí)現(xiàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動[1]。供彈接口是無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的中心部分,通過對該接口部分的模擬來進(jìn)一步證明后坐對無鏈供彈系統(tǒng)的產(chǎn)生的影響。

        2 高射速航炮無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)動力學(xué)分析

        基于多體系統(tǒng)動力學(xué)進(jìn)行研究虛擬樣機(jī)技術(shù),充分利用柔性與多剛體動力學(xué)來對各構(gòu)件之間的運(yùn)動特性進(jìn)行詳細(xì)探析。本文利用虛擬機(jī)軟件平臺ADAMS對無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析。

        在ADAMS中剛體坐標(biāo)分別用a、b、c表示,即T=(a,b,c)r。剛體方位的歐拉角分別用ψ,?,θ表示,即χ= (ψ,?,θ)r,則物體i的坐標(biāo)用表示。根據(jù)物體整體坐標(biāo)系可用以下方式來表示線和角的速度,即其結(jié)果用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[2]。

        ADAMS根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型多剛體動力學(xué)方程用方程(2)表示。

        則位置與速度之間的關(guān)系運(yùn)動學(xué)方程用以下方式顯示。

        ADAMS以機(jī)械模型為基礎(chǔ),自行構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行方程,即拉格朗日運(yùn)行方程。

        公式(3)中,動能用K表示,系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)則為qj,F(xiàn)j為廣義力,系統(tǒng)約束方程用ψi表示。若公式中零矩陣為o,那么此時的動能可用公式(4)表示。

        ■2.1 高射速無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型構(gòu)建

        圖2 模型建立步驟

        圖3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型分析

        圖2是無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的模型構(gòu)建步驟,其構(gòu)建過程首先是通過幾何建模,利用裝配和幾何實(shí)體造型進(jìn)行構(gòu)建;其次是系統(tǒng)建模,充分利用系統(tǒng)各部分零件之間的運(yùn)動及約束關(guān)系,建立虛擬樣機(jī);最后,仿真分析是對虛擬樣機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,以此來對樣機(jī)的可靠性及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[3]。三維實(shí)體建模時義模擬樣機(jī)為基礎(chǔ),為其提供在真實(shí)環(huán)境下的物理及結(jié)構(gòu)特性,而后坐模擬系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)供彈接口部分后坐的模擬。

        ■2.2 無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真分析

        基于ADAMS所建立的無鏈供彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型,將半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化并對該系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真。通過對簡化后坐模型虛擬樣機(jī)的仿真試驗(yàn)分析得知,無鏈供彈、炮彈以及電機(jī)輸出軸阻力的運(yùn)行狀態(tài),并利用各關(guān)鍵部件進(jìn)一步對該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[4]。

        ■2.3 關(guān)鍵部件的有限元分析

        無鏈供彈系統(tǒng)在供彈運(yùn)行過程中,若關(guān)鍵驅(qū)動部件為充分發(fā)揮自身作用,則導(dǎo)致剛度強(qiáng)度無法滿足供彈需求,此時,系統(tǒng)會出現(xiàn)故障停止運(yùn)行。為了避免故障出現(xiàn),保持機(jī)構(gòu)可靠性,對部件剛度強(qiáng)度的優(yōu)化分析是非常有必要的。無鏈供彈系統(tǒng)在運(yùn)行過程中振動較大,主要原因是因?yàn)椴考^多結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法準(zhǔn)確快捷的對其剛度及強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算,所以只能通過利用有限元發(fā)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠性分析。

        2.3.1 有限元發(fā)理論

        有限元法即有限單元法,核心理論思想是將問題求解過程離散化,將得到的有限單元靠節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,并選擇合理方式對單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)量關(guān)系進(jìn)行求解。因單元形狀過于簡便,故將各單元進(jìn)行集合,以方程式入組得到該線性方程組的節(jié)點(diǎn)量,促使導(dǎo)出量問題盡快解決。若當(dāng)前所選擇節(jié)點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)作為方程組,方可稱之為位移法;若是節(jié)點(diǎn)力為未知,那么將其稱為力法。有限單元法自身對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及計(jì)算精度較高,且可靠性好,再降低產(chǎn)品制作成本的同時,還為各企業(yè)減少了研制費(fèi)用及產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)用。

        圖4 有限元分析步驟

        2.3.2 關(guān)鍵部件強(qiáng)度剛度分析

        高速無鏈供彈系統(tǒng)輸彈與閉合彈鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析是通過有線元法進(jìn)行計(jì)算的,該計(jì)算步驟詳情如圖4所示?;跓o鏈供彈系統(tǒng)剛度強(qiáng)度分析結(jié)果可見,閉合彈鏈與輸彈環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,可通過重要部件運(yùn)行狀態(tài)來滿足該系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度要求[5]。

        3 結(jié)語

        全文通過高速無鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建,在無射擊情況下對其后坐進(jìn)行詳細(xì)研究。根據(jù)輸彈單元的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力情況對后坐位移變化的影響,并對該系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證?;贏DAMS軟件構(gòu)建供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng),并對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),主要目的是通過仿真后坐位移曲線及運(yùn)行參數(shù)對該系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究。最后,根據(jù)關(guān)鍵部件剛度強(qiáng)度再滿足系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況時,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

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