动力学仿真在某尾翼系统弹起机构设计中的应用*

李昌坤，陶 苑，宋 勇，肖秀友

(1中国兵器工业第59研究所，重庆 400039;2南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

在传统的弹箭设计中，为了验证设计，通常要制造样机进行多次试验，有时这些验证试验甚至是破坏性的。而当试验失败或者发现不合理的设计之处时，又要重新设计、试制，并再进行验证试验，这样的设计模式浪费了大量的人力、物力和财力等资源。利用现代仿真设计技术对方案进行论证和优化，是避免资源浪费、节约研制成本、缩短研制周期的有效手段之一，同时，仿真设计技术可以实现设计过程的可视化，并可以在仿真过程中，随时改变模型的各个参量，对其进行跟踪测量，得到相应曲线图，便于对模型进行动态分析和优化，为最终的方案设计提供依据。

1 ADAMS软件简介

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)全称是机械系统动力学自动分析软件，由美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发，该软件集建模、求解、可视化技术于一体，是世界上目前使用范围最广，最负盛名的机械系统仿真分析软件。

ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，使用以用户为中心的交互式图形环境，该模块将图标操作、菜单操作、鼠标点选操作与交互式图形建模、仿真计算、动画演示、优化设计、曲线图处理和结果分析等功能完美的集成在一起。

2 尾翼系统动作原理

2.1 尾翼系统结构

该尾翼系统是某制导炮弹的稳定装置，主要由尾翼、解闭锁机构、弹起机构等组成，布局示意图如图1。

图1 尾翼系统结构布局示意图

2.2 作用原理

该系统作用原理可以概括为:发射前，惯性器件被固定在安全位置，解锁机构的滑动套锁住4片尾翼;发射时，惯性器件后座，联合锁定滑动套;弹丸出炮口泄压后，惯性器件与滑动套联合体回弹，尾翼脱离滑动套束缚，处于待展开的状态;在尾翼弹起机构的作用下，尾翼迅速展开到位并锁紧，保证弹丸的稳定飞行。尾翼系统动作作用流程示意图如图2。

图2 尾翼系统作用流程示意图

2.3 尾翼弹起机构的重要性

尾翼系统的全套运动主要取决于弹起机构弹力的设计，其重要性体现如下:

1)弹力大，尾翼与解锁机构(滑动套)摩擦大，不能解锁;

2)弹力小，解锁机构解锁后，尾翼不能迅速展开，影响弹丸稳定飞行。

3 ADAMS仿真结果及分析

3.1 模型及施加载荷

利用Solid Works软件进行复杂零部件结构的建模，形成装配体，导入ADAMS/View模块。

对导入的模型按接近实际受力情况施加载荷，如图3。

图3 仿真模型截图

1)运动副:装配体沿X正向的发射运动;滑动套沿X正向滑动运动;惯性体沿X负向的后座运动;出炮口后惯性体和滑动套沿X正向的解锁运动;

2)旋转副:装配体22r/s的右向旋转运动;尾翼沿自身转轴的转动;

3)摩擦副:主要零部件之间的摩擦;

4)固定副:中心管、底座等支撑结构的固定连接;5)解锁、锁定等函数编制。

所有载荷施加完成后，对尾翼的弹起机构施加不同的弹簧弹力，仿真运动，并测定尾翼从弹丸出炮口到展开到位的时间。

3.2 仿真测试结果及分析

当尾翼弹起机构的弹簧弹力取200N时，设定点对点测量，即尾翼上的定位销与尾翼座上的定位销孔重合时(X坐标一致)，系统停止仿真，通过测量曲线可以看出尾翼展开到位的时刻，如图4。

图4 弹起机构提供200N弹力时的仿真截图

根据上述载荷加载过程进行不同的弹起机构弹力取值和展开时间的仿真分析及计算，对应关系如表1。

表1 弹力取值和尾翼展开时间仿真对应关系

通过上表仿真数据可以看出:

1)尾翼弹起机构弹力的取值在300～500N之间变化时，对尾翼展开时间的影响不大;

2)受弹起机构结构尺寸限制，考虑机械加工制造工艺，选用提供200N弹力的弹起机构，尾翼展开到位时间为27ms;

3)弹丸出炮口27ms后，处于炮口后效作用时期以外，有利于尾翼展开和弹丸的稳定飞行。

因此根据仿真结果，制作了能够提供200N弹力的弹起机构，进行靶场飞行试验。

4 靶场试验及其与仿真情况对比

靶场试验时布高速摄影，以某型火炮为射击平台，射击弹丸7发，尾翼可靠展开3发。

通过高速摄影观察，尾翼展开的平均时间为29ms。试验结果与仿真结果相近，但是仍需要提高整个机构的工作可靠性。试验及高速摄影如图5。

图5 靶场试验及高速摄影

5 结论

利用动力学仿真设计尾翼系统弹起机构，为整套尾翼系统的设计提供了依据。仿真设计结果与靶场试验结果相近，体现了仿真设计的先进性和准确性。

在后续弹药项目研制过程中，应逐步推荐使用仿真设计，进而改善画加打的弹药传统设计模式，缩短研制周期，提高设计效率，降低设计成本。

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