陳大雄 瞿 軍

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

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基于ADAMS對某導(dǎo)彈適配器的動力學(xué)仿真*

陳大雄 瞿 軍

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

適配器的運(yùn)動過程分為適配器隨彈在發(fā)射箱內(nèi)的運(yùn)動過程以及導(dǎo)彈出箱適配器與彈的拋離過程,論文主要闡述運(yùn)用ADAMS對導(dǎo)彈發(fā)射過程中導(dǎo)彈適配器的受力和運(yùn)動過程仿真,采用合理的剛?cè)狁詈夏Ｐ?把適配器作為柔體處理,并利用相應(yīng)的流體力學(xué)軟件求出適配器出筒后受到的阻力,并求出臨界分離力,利用ADAMS編輯腳本文件,控制分離過程。仿真結(jié)果表明,該模型對導(dǎo)彈適配器運(yùn)動和受力分析的方法是可行的。

ADAMS; 適配器; 受力分析; 運(yùn)動過程; 剛?cè)崮Ｐ?/p>

Class Number YJ765.4

1 引言

目前越來越多的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開始采用箱式發(fā)射技術(shù),貯運(yùn)發(fā)射箱主要的作用是貯存、運(yùn)輸和發(fā)射導(dǎo)彈。貯存發(fā)射箱的截面結(jié)構(gòu)主要有圓形和矩形,但目前主要是圓形截面最多,矩形截面次之。在導(dǎo)彈和發(fā)射箱之間有稱為適配器的彈性襯墊[1],可以用來完成導(dǎo)彈在貯存、運(yùn)輸和發(fā)射過程對導(dǎo)彈的支撐、減震、導(dǎo)向以及控制初始擾動的作用。本文主要采用ADAMS軟件[2]對圓形截面結(jié)構(gòu)的發(fā)射箱適配器在發(fā)射過程中的受力和運(yùn)動過程進(jìn)行仿真。通過虛擬技術(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真實驗可以對適配器在導(dǎo)彈發(fā)射過程的受力和運(yùn)動過程模型的正確性和可行性進(jìn)行驗證。

2 適配器在導(dǎo)彈發(fā)射過程中運(yùn)動幾何模型的建立[3]

導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),本文僅對某個類型的發(fā)射箱及導(dǎo)彈之間的相互作用進(jìn)行研究,采用一般的模型進(jìn)行研究,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以把它分為五個部分:三個部位的適配器、發(fā)射箱、導(dǎo)彈。三維造型軟件SolidWorks中簡化各組單元的柔、剛幾何模型,為虛擬樣機(jī)的建立奠定基礎(chǔ)。采用ADADMS軟件作為虛擬樣機(jī)系統(tǒng)以及仿真分析的軟件,將SolidWorks建立好的模型導(dǎo)入ADAMS,建立有效的動力學(xué)仿真模型,必須添加合適的約束副來連接各模塊,而適配器采用柔體模型。

建立該模型時做如下假設(shè):

1) 導(dǎo)彈從發(fā)射開始到發(fā)射出筒之間的時間極短,忽略導(dǎo)彈質(zhì)量和質(zhì)心變化對導(dǎo)彈發(fā)射擾動的影響。

2) 發(fā)射過程中,忽略發(fā)射平臺、發(fā)射架等運(yùn)動對發(fā)射的影響,認(rèn)為發(fā)射時發(fā)射筒是固定不動的。

3) 適配器在未出筒之前,在彈簧作用下始終是接觸的,在接觸過程中用徑向彈簧、碰撞力以及移動副來代替適配器導(dǎo)彈箱體之間的相互作用,不計發(fā)射過程中燃?xì)鈱m配器的影響。

2.1 各種約束的添加

1) 適配器與發(fā)射箱

三個部位的適配器為柔體,形狀簡化為簡單的圓環(huán)結(jié)構(gòu),而發(fā)射箱為剛體,而適配器與發(fā)射箱采用接觸約束中的“Flex Body to Solid”,通過測量該約束三個坐標(biāo)方向的受力,就可以把適配器受到箱的作用力求出來。

在ADAMS有兩種定義碰撞力的方法:一種是補(bǔ)償法,另一種是沖擊函數(shù)。由于前者參數(shù)難以選取,所以多選用后者來計算碰撞力,而沖擊函數(shù)法根據(jù)impact函數(shù)來計算兩構(gòu)建之間的碰撞力。Impact函數(shù)的一般表達(dá)式為

(1)

式中:q0為兩個要碰撞物體的初始距離;q為兩物體碰撞過程中的實際距離;dq/dt為兩個物體距離隨時間的變化;k為剛度系數(shù);e為碰撞指數(shù);cmax為最大阻尼系數(shù);d為切入深度,決定阻尼力達(dá)到最大;防止碰撞過程產(chǎn)生的阻尼力的不聯(lián)系,采用step函數(shù),形式為step(x,x0,h0,x1,h1),按式(2)進(jìn)行計算。

(2)

式中:a=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)。

2) 適配器與導(dǎo)彈的約束[4～5]

適配器包括適配器本體、分離彈簧、導(dǎo)向環(huán)、彈簧鎖銷、解鎖繩,分離墊片等。適配器中的解鎖繩和彈簧鎖銷是為裝填和固定分離彈簧。當(dāng)適配器被箱體滑軌限制在導(dǎo)彈彈體表面上時,去掉了解鎖繩和彈簧鎖銷,否則發(fā)射時會阻礙適配器的分離。在本模型中,導(dǎo)彈和適配器的連接采用導(dǎo)彈徑向的移動副,即使得適配器沿導(dǎo)彈徑向相對移動,并用彈簧進(jìn)行連接。連接如圖1所示。

圖1 適配器與導(dǎo)彈的連接

3) 箱體與地面

由于本文采用的模型,所以箱體和地面采用固定副約束。

2.2 適配器在導(dǎo)彈發(fā)射過程中運(yùn)動虛擬樣機(jī)的載荷加載

1) 作用在導(dǎo)彈上的推力[9～10]

導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的推力使導(dǎo)彈產(chǎn)生加速度,也引起了適配器、箱和導(dǎo)彈之間相互作用。根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)技術(shù)方案要求,設(shè)發(fā)動機(jī)推力為500KN,工作時間為t=0.25s,到達(dá)穩(wěn)定推力Fb的時間tb=0.01s,導(dǎo)彈在箱內(nèi)的運(yùn)動時間為0.21s,將其加載到導(dǎo)彈尾部,推力函數(shù)表達(dá)式為:

Function:

AKISPL( time-0.01 , 0 , SPLINE_1, 0)

其中SPLINE_1曲線為發(fā)動機(jī)樣條曲線,是由兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS后自動生成,注意在“Independent Column Index”中輸入1。

2) 適配器受到的分離力[6～8]

圖2 適配器與導(dǎo)彈分離過程的受力

對適配器分離過程中的受力進(jìn)行分析,作用于適配器質(zhì)心力有三個,分離彈簧的彈力N,氣動合力F和重力G。使適配器產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的力矩有兩個:分離彈簧的彈力對適配器質(zhì)心的力矩MN,氣流的氣動力的合力矩MF。如圖2所示。

適配器受到的氣動力以及氣動力矩:

(3)

式中,Cx為阻力系數(shù);Cy為升力系數(shù);Cz為側(cè)力系數(shù);mx為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù);my為偏航力矩系數(shù);mz為俯仰力矩系數(shù);ρ為空氣密度;S為特征面積;L為計算特征長度。

彈簧彈力和氣動力以及其產(chǎn)生的力矩作用于適配器,除重力外,在適配器氣動坐標(biāo)下方程為:

(4)

式中FX,FY,FZ為除重力外適配器所受的外力在三個氣動方向的分力,Nx,Ny,Nz為彈簧彈力在三個氣動方向的分力,Mx,My,Mz為三個方向的力矩。由于在計算過程中,設(shè)氣動參數(shù)變化不大,根據(jù)氣體動力學(xué)軟件FLUENT得到氣動參數(shù),得到的適配器出筒后的氣動力。

2.3 適配器在導(dǎo)彈發(fā)射過程中運(yùn)動虛擬樣機(jī)的仿真過程

在仿真過程中涉及到適配器、導(dǎo)彈和箱體的相互作用,各種各樣的約束力。在彈和適配器在箱內(nèi)運(yùn)動時候,適配器和箱體采用接觸副約束,受到的力屬于碰撞力。在適配器與導(dǎo)彈之間采用移動副約束,并在它們之間加上彈簧。當(dāng)適配器出箱口后,移動副失效,接觸副失效。在此模型中,適配器和彈之間選用移動副和彈簧進(jìn)行約束,即適配器與彈沿著彈得徑向相對運(yùn)動,移動副實效,作用的彈簧力稍后失效,簡化了適配器在氣動力、彈簧力和重力等共同作用拋離的過程,通過計算出適配器在分離過程中氣動力,忽略在分離前的相對運(yùn)動,把這個力作為臨界力,同時通過相應(yīng)的計算把適配器出箱后受到力合加載到彈和適配器上。用ADAMS仿真實現(xiàn)整個過程是通過編輯腳本文件,通過相應(yīng)的控制程序,運(yùn)行腳本文件,實現(xiàn)相應(yīng)的仿真過程。其中一部分腳本文如下:

! Insert ACF commands here:

SIMULATE/STATIC

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

DEACTIVATE/JOINT, ID=5,6,7,8

DEACTIVATE/SENSOR, ID=3

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

DEACTIVATE/SENSOR, ID=4

DEACTIVATE/SFORCE, ID=6,7,8,9

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

上述過程通過建立傳感器SENSOR以實現(xiàn)各約束的失效,主要為了確定適配器出筒,適配器分離時刻。

3 實例仿真結(jié)果與分析

由于實例采用的是任意相似模型,具有通用性。此例發(fā)射狀態(tài)為水平狀態(tài),彈簧產(chǎn)生的分離力對適配器質(zhì)心的力矩是對稱的可以不計,相對于彈簧彈力和重力產(chǎn)生的氣動力可以忽略不計,即作用在適配器上的作用力主要為彈簧彈力和適配器重力,不考慮閉鎖力以及彈翼展開過程,且推力不偏心。

本模型中取碰撞指數(shù)e=1.9;剛度系數(shù)k=20KN/mm,最大阻尼系數(shù)cmax=10N·s/mm,切入深度為取值為0.2mm。彈簧的剛度kτ=22KN/mm,cτ=100N·s/mm。

其中圖3～圖5描述了適配器在導(dǎo)彈發(fā)射時的運(yùn)動過程,圖6和圖7描述了適配器運(yùn)動過程中的受力。表1,表2分別表示適配器與導(dǎo)彈分離時的速度和時間、分離時的彈簧力。圖中第1,2,3組適配器代表前中后適配器,位置1,2,3,4依次代表沿導(dǎo)彈軸線順時針方向左下方位置開始對應(yīng)該位置的適配器。

圖3 適配器軸方向位移和速度時間歷程

圖4 適配器垂直方向加速度時間歷程

圖5 適配器x方向角速度時間歷程

圖6 適配器y方向碰撞力時間歷程

圖7 彈簧力變化的時間歷程

前中后分離時間0．132s0．167s0．214s分離速度38．865m/sec50．675m/sec68．204m/sec

表2 各個適配器分離時受到的彈簧彈力

可以得到以下結(jié)論:

1) 導(dǎo)彈的發(fā)射過程中,適配器隨彈體運(yùn)動與箱體發(fā)生碰撞。在分離過程中,適配器與彈一起運(yùn)動,先分離的適配器可能獲得速度小,后面的適配器獲得的速度大,分離的時間是非常短暫的,取決于分離力的大小。分離力的大小與方向?qū)m配器的運(yùn)動方向影響大,然而對于彈的運(yùn)動姿態(tài)影響較小,而且越小越好。而且適配器分離后與彈軸方向距離波動較小。

2) 導(dǎo)彈在發(fā)射過程中,適配器和箱體的碰撞,在推力不偏心的情況下發(fā)生的碰撞是小幅度的。在適配器前部到后部依次出箱口的過程中碰撞力明顯增大,出筒后出現(xiàn)峰值,而且產(chǎn)生的碰撞力后適配器受力最大,碰撞最激烈,大約是前適配器受到碰撞力的五倍。

3) 前適配器出箱口后,彈的質(zhì)心仍在箱內(nèi),其隨彈轉(zhuǎn)動不是很明顯。而中適配器以及后適配器發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)動,即因為質(zhì)心已經(jīng)出箱口,適配器隨彈體有下沉量,這也造成后適配器出箱后彈箱碰撞明顯。

4 結(jié)語

本模型采用剛?cè)狁詈?利用碰撞約束以及分離力控制分析編輯腳本文件,采用該模型,利用ADAMS軟件進(jìn)行該問題仿真非常符合實際運(yùn)用,為研究該類問題時提供了有效的仿真方法。

[1] 趙華,王敏杰,楊為,等.箱式發(fā)射導(dǎo)彈適配器[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2007(4):42-50.

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[3] 姚昌仁,張海波.火箭導(dǎo)彈發(fā)射裝設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

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Simulation Analysis for Dynamics of the Missile Adapter Based on ADAMS

CHEN Daxiong QU Jun

(Naval Aeronautical Engineering Institue, Yantai 264001)

The movement process of adapter can be divided into the movement inside storage and transport launch tank and the separating action of the missile and its adapters. In this paper, the movement and dynamic analysis of adapter will be simulated while missile is launching by using ADAMS software. It will adopt reasonable rigid-flexible coupled model, and process as adapter, and the resistance of the adapter while the adapter is out of the tank will be sloved by using Fluid software, solving critical separation force, controlling the process of separation by editing script files. According to the simulating analytical conclusion, it testifies that the rigid-flexible coupled model is feasible for the movement and dynamic analysis of adapter.

ADMS, adapter, mechanical analysis, the process of movement, rigid-flexible coupled model

2014年9月5日,

2014年10月19日

陳大雄,男,碩士研究生,研究方向:發(fā)射工程與集成技術(shù)。瞿軍,男,碩士生導(dǎo)師,研究方向:發(fā)射工程與集成技術(shù)。

YJ765.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.022