基于CATIA的模擬彈設計

孫東輝，諶志聰

（鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州 450000）

在航空懸掛發射裝置研究領域，導彈模型按用途分可分為外形彈、質量彈和振動彈。外形彈與真彈的外觀、尺寸一致，主要用于產品展示和試裝干涉性檢查。質量彈模擬彈的重量和重心位置、電器接口、機械接口及關鍵外形，用于懸掛發射裝置一般的投放功能性試驗。振動彈不僅模擬彈的重量、重心位置、電器接口、機械接口、主要外形外，還需模擬彈重心坐標系下三個坐標軸的轉動慣量，用于懸掛發射裝置振動環境試驗。

1 設計輸入分析

本文假設一種航空用導彈模型的設計輸入如下：導彈外形如下圖1，量重172±3kg，Jy=Jz=162kg·m2，前、后滑塊相同都是標準“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軸的轉動慣量。坐標系采用右手直角坐標系，原點處于重心。從設計要求可以看出這是屬于振動彈的設計類型，也是外形彈，質量彈和振動彈這三種類型模擬彈中最為復雜的一種。

圖1 航空導彈模型

2 初步設計

轉動慣量也被稱作質量慣性矩或慣距，是衡量改變物體轉動狀態難易程度的物理量，從質點轉動慣量計算公式I=mr2不難看出，其大小取決于物體的質量分布及質點與轉軸間的距離。理解轉動慣量本質含義有助于對模擬彈得結構進行靈活設計。

圖1中為帶翼導彈模型，按要求本文設計的是振動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，這樣的形式整體結構強度高，圓管按實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部的焊接。第二，采用不同壁厚的管料有利于調整彈體的質量分布，重心位置和轉動慣量的大小。筒體壁厚是決定彈x 軸轉動慣量的主要因素，而彈體的長度、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軸的轉動慣量和重心的位置，由于彈的基本特征為圓形（中心對稱圖形）故Jy≈Jz。振動彈設計難點在于同時要保證彈的重量，重心位置和轉動慣量，所以要不斷地調整模型才能達到設計要求。

圖2 模擬彈初步構形

總上所述，模擬彈的主要外形為彈外徑、彈頭部分，電連接器采用真實型號的原器件，參照GJB-1C具體尺寸設計滑塊，對模擬彈進行初步粗略設計，結構如圖2。滑塊在彈體上通過兩個銷釘定位、四個高強度螺栓與支塊聯接，如圖3。分段彈體之間的連接形式如圖4，通過臺階孔配合焊接成一體。

3 CATIA建模

按照3中的設計思路，結合圖1尺寸，利用CATIA軟件對模擬彈的組成零件分別進行粗略建模。圖1重心位置尺寸是以前滑塊為參考的，為了在裝配環境下方便對質量屬性的讀取，對前滑塊建模的時候要注意零件的坐標點的選取。將彈體的X軸作為前滑塊的X軸，YZ平面為前滑塊X軸方向的對稱平面。CATIA裝配體中默認是沒有坐標系顯示的，可以測量得到重心、慣量等信息，但是并不知道這是相對哪個坐標系的，為解決此問題可以新建一個裝配體，再在裝配環境下新建一零部件，按提示將裝配體的原點定義為零部件的原點，這樣裝配體的坐標系就顯示出來了。將前滑塊作為第一個零件插入，通過約束命令將前滑塊的原點移動到當前坐標系，再施加固定約束，刪除新建部件，依次對建好的模型進行裝配，這樣就可以用零部件的原點進行測量了。裝配后的模型如圖5所示。

圖3 航空導彈模型

圖4 彈體間聯接形式

圖5 CATIA中的裝配模型

4 確立最終設計模型

模型建立后，設置零件的材料屬性，這里主要需要的是材料密度，統一選取常用普通碳鋼Q235，密度7850kg/m3，工具欄點擊CATIA中的圖標就可以測量模擬彈裝配體的質量屬性了。由以上對影響模擬彈轉動慣量的因素分析，經過在CATIA中更改零件模型的結構尺寸，更新裝配體，多次比較最終確立了零部件具體的結構尺寸，測量的模擬彈質量屬性的測量結果如圖6所示。

圖6 CATIA中彈的質量屬性

Gx、Gy、Gz分 別 為 重 心 的 坐 標，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分別就是轉動慣量Jy，Jz。按照經典的力學均質物體重量、轉動慣量計算公式和平行軸定理經過對彈模型分割簡化計算得到的結果如表1。

通過表1中數據的比較，發現CATIA計算結果與傳統的簡化算法結果極為相近，滿足設計給定的要求，也說明了CATIA在模型質量屬性測量方面的正確性。

5 結語

（1）本文介紹了航空懸掛發射裝置用導彈模擬彈的種類及用途，并詳細講述了如何運用CATIA對其較為復雜的一種振動彈進行設計的步驟和方法。（2）將經典力學公式計算所得和CATIA測得的彈的質量屬性進行比較，驗證了借助CATIA對模擬彈進行設計這種手段的可行性。（3）外形彈和質量彈的設計同樣都可以借鑒振動彈的設計方法和思路。

表1 結果數據比較