回轉投放懸掛裝置主接頭動力學特性仿真技術研究

李娟

（航空工業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為一點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]。

多體系統動力學的研究對象是由任意有限個構件組成的系統。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、定常或非定常約束[2]。研究多體系統動力學，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的鎖閉穩定性，以及在投放狀態下所需要的高壓氣體作動力。

3 動力學方程[4]

ADAMS 軟件根據機械系統模型，自動建立系統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（將位置與速度聯系）：

此外還有系統約束方程、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時的沖擊試驗環境，將國軍標中規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生意外開鉤，從而導致懸掛物意外釋放。得出在沖擊環境下，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境，并耦合了整個裝置及懸掛物從兩點連接變為一點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，可以根據戰機沖擊環境、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，有效縮短研制周期。