張 登,徐宏斌,張大治,李端松,韓 飛

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

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基于ADAMS的某型發(fā)射裝置燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析*

張 登,徐宏斌,張大治,李端松,韓 飛

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

為了研究基于某型發(fā)射裝置設(shè)計的新型燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)的解鎖功能,文中基于虛擬樣機(jī)軟件ADAMS,建立了該燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)的仿真模型,通過對該機(jī)構(gòu)不同狀態(tài)下的解鎖工作過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析,并研制出機(jī)構(gòu)的原理樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗,確定機(jī)構(gòu)解鎖順利,功能完整,驗證了該機(jī)構(gòu)的解鎖運(yùn)動原理及設(shè)計方案的可行性。

燃?xì)饨怄i;ADAMS;運(yùn)動學(xué)分析;試驗驗證

0 引言

國內(nèi)現(xiàn)有直升機(jī)載發(fā)射裝置中,常用的鎖彈器解鎖方式有機(jī)械解鎖與電氣解鎖兩種。機(jī)械解鎖的鎖彈器,其鎖彈力與解鎖力相同,一般解鎖力值較大,發(fā)射瞬間對鎖彈器和導(dǎo)彈的沖擊較大。而電氣解鎖的鎖彈器是通過電信號將其解鎖,這需要鎖彈器與導(dǎo)彈上的機(jī)電保險裝置相互配合,且要考慮電磁兼容等問題,這種鎖彈方式相對復(fù)雜[1]。

為了減小發(fā)射裝置解鎖機(jī)構(gòu)對導(dǎo)彈發(fā)射離軌時的沖擊影響,提高解鎖機(jī)構(gòu)的可靠性,文中提出了一種新型的燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu),并利用ADAMS仿真平臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析,驗證了該機(jī)構(gòu)不僅能有效減小導(dǎo)彈發(fā)射時的沖擊,還具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)[2]。

1 工作原理

該燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)(如圖1所示)主要是利用導(dǎo)彈發(fā)射時的發(fā)動機(jī)燃?xì)饬餍纬山怄i力,從而帶動機(jī)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)導(dǎo)彈的解鎖。機(jī)構(gòu)具有正常解鎖和異常情況下的強(qiáng)制解鎖兩種工作狀態(tài)[3]。

正常解鎖:導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的燃?xì)饬髯饔糜谕屏Ρ纬尚D(zhuǎn)力矩,使推力柄繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),帶動解鎖連桿向右移動,此時解鎖連桿與鎖盤分離,鎖盤在拉簧的作用下繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)對導(dǎo)彈的解鎖。同時,為防止直升機(jī)飛行時產(chǎn)生的氣流造成機(jī)構(gòu)誤解鎖,設(shè)計了壓簧,其預(yù)壓值遠(yuǎn)大于直升機(jī)飛行氣流產(chǎn)生的力矩,確保機(jī)構(gòu)的安全性。在正常解鎖狀態(tài)下,導(dǎo)彈發(fā)射時基本沒有解鎖力的沖擊。

圖1 解鎖機(jī)構(gòu)三維模型

強(qiáng)制解鎖:該工作狀態(tài)主要是為了在燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)一旦失效的情況下也能將導(dǎo)彈解鎖,發(fā)射離軌,從而確保直升機(jī)的安全,是一種冗余設(shè)計。當(dāng)燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)失效時,導(dǎo)彈在發(fā)動機(jī)推力作用下推動鎖盤克服強(qiáng)制解鎖壓簧的預(yù)壓力,使鎖盤向前運(yùn)動脫離解鎖連桿的限制,并在拉簧的作用下繞鎖盤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,從而解鎖導(dǎo)彈,使導(dǎo)彈發(fā)射離軌。由于強(qiáng)制解鎖是一種非正常狀態(tài)的應(yīng)急安全措施,在該狀態(tài)下,導(dǎo)彈會受到一個較大的解鎖沖擊。

2 運(yùn)動學(xué)模型

2.1 ADAMS中模型的建立

將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中,模型中對推力柄與解鎖連桿間定義轉(zhuǎn)動副,推力柄與后座、導(dǎo)彈與鎖盤、解鎖連桿與鎖盤間定義接觸,鎖盤與基座、解鎖連桿與后座定義移動副,基座與大地、后座與大地建立固定約束[4-5]。

2.2 ADAMS中載荷的加載

強(qiáng)制解鎖壓簧預(yù)應(yīng)力T1的設(shè)定原則:

F0

式中:F0為燃?xì)饨怄i壓簧預(yù)壓力最小值(N);F推力為發(fā)動機(jī)推力(N)。

拉簧預(yù)應(yīng)力的設(shè)計考慮鎖盤的運(yùn)動特性,保證鎖盤的運(yùn)動優(yōu)先滑塊的運(yùn)動。

燃?xì)饨怄i壓簧預(yù)應(yīng)力的設(shè)定考慮在空氣流推力、發(fā)射沖擊下仍能可靠鎖止等因素。

空氣流對推力柄的吹風(fēng):

p=ρ·v2

(1)

P=p·s

(2)

式中:p是壓強(qiáng)(Pa);ρ空氣密度,取1.3 kg/m3;v為風(fēng)速(m/s);P為大氣施加給推力柄的力(N)。

沖擊力:

F=m·a

(3)

F軸沖=m軸沖·a

(4)

F推沖=m推沖·a

(5)

式中a為發(fā)射裝置受到的最大沖擊加速度(m/s2);F軸沖為軸與鎖頭所受沖擊力(N);F推沖為推力柄所受沖擊力(N)。

保證扭矩平衡[6]:

(F0-F軸沖)·L1=P·L2+F推沖·L3

(6)

式中:F0為燃?xì)饨怄i壓簧預(yù)壓力最小值(N);L1、L2、L3為推力柄上相應(yīng)距離(m);如圖2所示。

基于《發(fā)動機(jī)試驗報告》可知導(dǎo)彈推力的變化曲線如圖3所示,利用STEP(time,0.02,STEP(time,0,0,0.02,F1)0.05,F2)進(jìn)行加載?；凇赌承桶l(fā)動機(jī)尾流場計算報告》,對推力柄受力施加。

圖2 推力柄

圖3 發(fā)動機(jī)推力曲線圖

3 發(fā)射過程運(yùn)動學(xué)分析

仿真時設(shè)置導(dǎo)彈質(zhì)量M=60 kg,正常解鎖仿真時間設(shè)置為0.05 s,強(qiáng)制解鎖0.3 s,仿真步均為5 000步,得到拉簧受力圖、解鎖連桿位移圖。

圖4為拉簧在0～0.02 s的受力變化,可知在0.002 s時,鎖盤已完成初步旋轉(zhuǎn),在0.024 s時,導(dǎo)彈與解鎖機(jī)構(gòu)分離。

圖4 拉簧受力圖

圖5中,線2表示拉簧受力曲線,線1表示彈體的位移。通過對比可知,在線2的拐點(diǎn)a處,鎖盤受拉簧拉力作用已完成初始轉(zhuǎn)動,運(yùn)動示意圖如圖6所示,機(jī)構(gòu)已經(jīng)解鎖,鎖盤下表面與滑塊接觸而后隨著導(dǎo)彈移動在線2拐點(diǎn)c約為0.024 s時解鎖完全;由線1可知彈體在0.007 5 s時才有較明顯的位移變化,在后續(xù)運(yùn)動過程中,由于導(dǎo)彈滑塊與鎖盤的這種接觸形式,理論上解鎖過程是不受沖擊的。

圖5 彈體位移與拉簧受力對比圖

圖6 鎖盤運(yùn)動示意圖

在圖7中,線3為11 000 N下,彈簧運(yùn)動距離;線4為4 000 N下,彈簧運(yùn)動距離。其中起始點(diǎn)均為24.779 5 mm,在11 000 N下,彈簧在0.091 2 s達(dá)到最大距離-21.064 4 mm,強(qiáng)制解鎖完畢。在4 000 N下,彈簧在0.209 4 s達(dá)到最大距離-21.280 6 mm,強(qiáng)制解鎖完畢。強(qiáng)制解鎖時保證機(jī)構(gòu)非正常工作時的一種安全保護(hù),對機(jī)構(gòu)沖擊也較大,一般情況下不會出現(xiàn)。

圖7 強(qiáng)制解鎖彈簧位移圖

4 試驗驗證

為了驗證ADAMS的仿真結(jié)果,進(jìn)行了該燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)的推力臺試驗、無控彈試驗。

4.1 推力臺試驗

該試驗主要是驗證燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)在燃?xì)馔屏ψ饔孟履芊耥樌怄i,試驗布局如圖8所示。

圖8 燃?xì)饨怄i推力臺試驗布局

試驗結(jié)果表明機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)燃?xì)饬髯饔孟履茼樌怄i,如圖9所示。

圖9 燃?xì)饨怄i試驗結(jié)果圖

4.2 無控飛行試驗

為了進(jìn)一步驗證燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)在導(dǎo)彈發(fā)射狀態(tài)下的正常解鎖與強(qiáng)制解鎖功能,基于某型四聯(lián)裝發(fā)射裝置燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)進(jìn)行了無控飛行試驗。

試驗在試驗臺架上進(jìn)行了機(jī)構(gòu)正常解鎖功能驗證和強(qiáng)制解鎖功能驗證,如圖10所示。

圖10 燃?xì)饨怄i無控彈試驗圖

圖10中,左側(cè)是正常解鎖試驗,右側(cè)是強(qiáng)制解鎖試驗。強(qiáng)制解鎖試驗時,需將推力柄設(shè)置在不受發(fā)動機(jī)燃?xì)饬髯饔玫奈恢?如圖11所示。

圖11 強(qiáng)制解鎖操作示意圖

試驗結(jié)果表明,在發(fā)動機(jī)的常溫狀態(tài)下,發(fā)現(xiàn)燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)均能順利進(jìn)行正常解鎖、強(qiáng)制解鎖,機(jī)構(gòu)功能完整,結(jié)構(gòu)可行。

5 結(jié)論

運(yùn)用ADAMS軟件對燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真,分析機(jī)構(gòu)解鎖與導(dǎo)彈分離的運(yùn)動情況,證明機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):燃?xì)饨怄i區(qū)別于以往不同的解鎖方式,對發(fā)射裝置的沖擊較小,同時又有機(jī)構(gòu)異常工作情況下的強(qiáng)制解鎖方式,保證機(jī)構(gòu)的解鎖功能,具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

通過后續(xù)推力臺試驗、簡裝藥無控彈試驗的驗證得到,該燃?xì)饨怄i機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)尾流場作用下能夠順利進(jìn)行正常解鎖與強(qiáng)制解鎖,證明解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計方案實際可行。

[1] 曹燎原, 董志航, 謝軍虎, 等. 發(fā)射裝置鎖制器開鎖力力值穩(wěn)定性分析 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2013, 33(3): 181-184.

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[6] 蔣偉. 機(jī)械動力學(xué)分析 [M]. 北京: 中國傳媒大學(xué)出版社, 2005: 5-8.

Kinematics Simulation Analysis of Gas Release Mechanism of A Certain Launcher Based on ADAMS

ZHANG Deng,XU Hongbin,ZHANG Dazhi,LI Duansong,HAN Fei

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In order to research the release function of a new type of gas release mechanism based on a certain launcher, base on virtual prototype software ADAMS, a simulation model of the gas release mechanism is established in this paper. Through the kinematics simulation analysis of the release working process of the mechanism under different conditions, development of a principle prototype of the mechanism and related experiment, it is determined that the mechanism releases smoothly and is fully functional, and the release motion principles of the mechanism and the feasibility of the design scheme are verified.

gas release mechanism; ADAMS; kinematics analysis; test verification

張登(1991-),男,湖南類底人,碩士研究生,研究方向:機(jī)械設(shè)計與分析。

TJ768.2

A

*2015-12-31