某機載導彈彈射裝置建模及參數敏感性分析

梁倩倩,劉永壽,高宗戰

(西北工業大學工程力學系,西安 710129)

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某機載導彈彈射裝置建模及參數敏感性分析

梁倩倩,劉永壽,高宗戰

(西北工業大學工程力學系,西安 710129)

針對某導彈彈射裝置在進行多體系統動力學仿真時,結構的彈性變形和掛鉤細節接觸碰撞均會影響導彈分離參數的問題,文中提出了一種含掛鉤機構的導彈彈射裝置的剛柔耦合多體動力學模型。基于彈性變形理論和多體動力學理論,利用PATRAN和ADAMS軟件完成彈射裝置剛柔耦合模型的建立和仿真,并對其參數進行敏感性分析。仿真結果表明,結構的彈性變形、導彈質心位置、導彈質量和作動筒的氣源壓力都會影響導彈分離姿態。

彈射裝置;剛柔耦合;敏感性分析;多體動力學;動力學仿真

0 引言

空空導彈有兩種發射形式,一為導軌發射,二為彈射發射。相較于外掛式導軌發射,內置式彈射發射能夠避免發射裝置在機身外部對載機飛行性能的影響,使飛機保持良好的氣動外形,又能夠有效的隱藏導彈信號特征,實現飛機的隱身性能,顯著提高戰斗機的綜合作戰能力。因此,加強內置式導彈彈射裝置的研究,是我國邁進第五代戰機的必經之路。

目前,國內外學者對彈射裝置做了大量的研究:文獻[1-3]利用Matlab建立彈射裝置的數學仿真模型,研究其動態特性參數變化規律和參數變化對裝置工作性能的影響;在文獻[4]中,一種氮氣作動筒的彈射裝置數學模型被建立,用于分析作動筒氣源壓力和彈體質量變化對導彈分離參數的影響;文獻[5-7]基于柔性多體動力學理論,考慮結構的彈性變形,驗證了剛柔耦合模型的可行性和可用性;文獻[8-9],應用復合型優化方法對影響導彈彈射性能的若干參數進行優化設計。以上研究都主要針對于彈射裝置中的八連桿機構,未考慮掛鉤細節對導彈發射姿態的影響，而掛鉤機構在彈射裝置和導彈之間力和運動的傳遞過程中起著至關重要的作用,直接影響著導彈在離開彈射裝置時能否保持良好的姿態[5],安全越過干擾區。因此,考慮掛鉤機構的影響,建立更加接近真實裝置的虛擬樣機就顯得尤為重要。

文中采用主流動力學仿真軟件ADAMS在綜合考慮結構的彈性變形、接觸碰撞、驅動力函數的基礎上,建立含完整掛鉤機構的內置式導彈彈射裝置虛擬樣機,并在此樣機上進行動態參數(導彈質心位置、導彈質量和作動筒的氣源壓力)的敏感性分析,研究各參數對彈射過程中分離參數的影響。文中的建模思想和研究方法為彈射裝置的設計和改進提供了參考。

1 導彈彈射裝置動力學模型

內置式導彈彈射裝置由八連桿平衡機構、掛鉤機構和作動筒組成,實現彈射動作(見圖1)。上骨架為發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構運動,掛鉤用于懸掛導彈,作動筒是實現彈射動作的主要執行部件。

圖1 導彈彈射機構三維模型

彈射裝置的彈射過程如下所述,作動筒受高壓氣體作用逐級展開,帶動下骨架垂直向下運動,下搖臂分別克服阻力繞固定軸1、2轉動,并驅動上搖臂分別繞軸3、4轉動,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動。當多級彈射活塞作動筒帶動八連桿機構實現規定行程后,安裝于下骨架上的掛鉤機構打開,將導彈彈射出去。圖2和圖3分別是左右掛鉤機構的三維模型圖。左掛鉤工作原理是,垂直部件繞軸5旋轉,使耳片向下運動,帶動連接件向下運動,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,左掛鉤打開。同時,右掛鉤垂直部件繞軸8旋轉,耳片向下運動,帶動鉤子繞與掛鉤連接軸運動,右掛鉤打開。

圖2 左掛鉤三維模型

2 剛柔耦合模型的建立與仿真

ADAMS中以剛體的質心笛卡爾坐標和剛體的方位作廣義坐標定義坐標系。考慮約束方程,用帶拉格朗日乘子的第一類拉格朗日方程的能量形式,建立系統的動力學方程如下:

(1)

式中:T為系統廣義動能;qj為廣義坐標;Qj表示在qj方向下的廣義力;Φ表示系統約束。

圖3 右掛鉤三維模型

2.2 建模的基本構架

首先在SOLIDWORKS中建立彈射裝置幾何模型,然后將模型導入ADAMS中建立剛性仿真模型,再導入到PATRAN建立機構的有限元模型,并提交NASTRAN對機構進行模態分析獲得模態中性文件。利用PATRAN與ADAMS的接口,把包含構件模態信息的文件導入ADAMS完成剛柔耦合模型的建立。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

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

表1 三級作動筒驅動力函數表

表中:R1、R2、R3為一級、二級、三級作動筒的半徑;d為三級作動筒的總伸長量;s為提供的液壓曲線在ADAMS中對應生成的樣條曲線。

3 動力學仿真及參數敏感性分析

內置式導彈彈射裝置彈架分離時導彈的速度、加速度、俯仰角度是驗證彈射裝置的重要參數。為更好的研究和認識彈射裝置的動態特性,對下面幾個因素進行敏感性分析:1)對比剛性模型和剛柔耦合模型的仿真數據,分析彈性變形的影響;2)對比導彈質心不同的仿真結果,分析質心位置的影響;3)對比導彈不同質量下的仿真結果,研究彈射裝置的普適性;4)對比不同氣源壓力下的仿真結果,分析氣源壓力對導彈分離參數的影響。

(4)高職泛在學習資源需要保證知識點的連貫性和交叉性。知識是相互關聯的，不是孤立存在的。而現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系并沒有在資源庫中體現出來。比如，《數據庫系統》和《C#程序設計》這兩門課就不是孤立地去學，學完的最終目的是需要用c#程序作為前臺和數據庫作為后臺數據支撐實現一個完整的信息系統。當前的教學資源建設就沒有考慮到這一點，而是作為兩門獨立的課程分別開發。類似的課程還有很多。為了避免所構建的教學資源成為一個個的“信息孤島”，應該考慮到知識點的交叉性。同時，為了滿足高職學生的碎片化學習方式，在開發資源時應該考慮以知識點來進行開發，而不是以課程為單位。

3.1 剛性模型與剛柔耦合模型仿真數據對比

彈射裝置中構件的結構在動載荷作用下結構會產生變形,并且當外部激勵在結構的固有頻率附近時構件會產生共振。這些都會影響彈架分離時導彈的分離姿態。考慮結構彈性變形的影響,將構件進行柔性化處理,建立剛柔耦合的仿真模型。圖5～圖7分別是剛性模型和剛柔耦合模型的導彈質心的速度、加速度和導彈俯仰角度的對比圖。

圖5 導彈速度曲線

圖5表明,導彈彈射過程中速度與時間成正比,彈射裝置的彈性變形會使導彈的分離速度加快,從而會縮短彈架分離所用的時間。

圖6 導彈加速度曲線

圖7 導彈俯仰角度曲線

圖8 導彈速度曲線

圖6為導彈質心的加速度曲線,從圖中可以看出導彈的加速度大體分為3個級階段,這與三級作動筒上的氣源壓力相對應,且三個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導彈俯仰角度有較大影響,當考慮彈射裝置的彈性變形時,導彈的俯仰角度會隨之增大,更為接近真實情況。

3.2 導彈質心位置對動態參數的影響

導彈生產工藝誤差可能造成導彈質心位置的改變,通過改變導彈質心的位置,研究其對導彈動態參數的影響。圖8～圖10分別為質心在設計位置,設計位置前,設計位置后的導彈速度、加速度和俯仰角度對比圖。

圖8～圖9表明當導彈質心位置在一定范圍內前移或者后移對導彈分離速度、加速度不會產生明顯影響。從圖10中可以看出,質心位置越靠前導彈俯仰角度越大。這說明導彈質心位置對該彈射裝置的影響較大,發射導彈時要充分考慮導彈質心位置對導彈俯仰角度的影響。

圖9 導彈加速度曲線

圖10 導彈俯仰角度曲線

3.3 導彈質量對彈射裝置的影響

不同型號的導彈質量不同,為檢驗彈射裝置的通用性,修改導彈的質量分別為205 kg、305 kg和405 kg進行仿真,研究導彈質量對彈射過程中動態參數的影響。仿真結果如圖11～圖13所示。

圖11 導彈速度曲線

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

3.4 氣源壓力對導彈分離參數的影響

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

圖12 導彈加速度曲線

圖13 導彈俯仰角度曲線

圖14 導彈速度曲線

圖15 導彈加速度曲線

圖14～圖16表明作動筒氣源壓力對導彈的速

圖16 導彈俯仰角度曲線

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

4 結論

文中以內置式導彈彈射裝置為研究對象,將ADAMS動力學仿真與PATRAN有限元分析相結合,對八連桿機構和掛鉤機構細節做了精確的建模,實現了對某內置式導彈彈射裝置的敏感性分析。文中在結構的彈性變形,驅動力函數方程,構件間接觸力等考慮的基礎上,進一步對彈射裝置中的掛鉤機構進行了精確完整的建模,使得所建立的內置式彈射裝置仿真模型更為接近真實裝置。用所建的模型對彈射過程中的導彈質心位置、導彈質量、作動筒氣源壓力參數進行一系列的對比分析,找出了各個參數變化對彈射過程中導彈動態參數的影響規律,為裝置的進一步設計、優化提供依據。

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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:多體動力學仿真。

TJ768.2

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