基于RecurDyn的旋转弹发射出筒过程动力学仿真

刘锋

摘要： 针对某旋转弹筒弹分离试验时出现尾翼座与筒壁刮擦的问题，用RecurDyn对弹体出筒过程进行动力学仿真.对筒弹分离试验进行故障复现，分析故障原因；根据故障分析结论对筒弹设计方案提出更改建议并再次仿真；第二次试验结果表明该分析结论和仿真结果正确.此外，还给出设计方案更改后正常发动机推力状况下的弹体出筒过程的重要总体仿真结果.该研究缩短产品设计周期、降低研制成本.

关键词： 旋转弹； 发射； 弹筒分离； 刮擦； 动力学仿真； 故障分析

中图分类号： TJ765.4文献标志码： B

0引言

旋转弹以其机动灵活、制导精确、操作简便、效费比高等多方面优点受到各国军方的广泛重视，并得到迅猛发展，成为销售量最大的地空导弹之一.在旋转弹的研制过程中，仿真是不可或缺的设计手段，使设计人员在虚拟环境中进行产品设计分析、预测真实情况，在模拟难以进行甚至无法进行的试验方面体现出强有力的优势.

在多体动力学仿真技术的发展过程中，采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法的新一代多体系统动力学仿真软件RecurDyn已成为重要的CAE仿真工具，非常适合于大规模和复杂接触的多体系统动力学问题.[1]RecurDyn已广泛应用于航空航天、车辆、工程机械、铁道、船舶和智能机械等行业.[26]

目前，关于旋转弹的仿真研究主要集中于弹体姿态测量和控制方面，但对弹体发射出筒过程仿真鲜有涉及.本文针对某旋转弹筒弹分离试验时尾翼座与筒壁的刮擦问题，对弹体出筒过程进行动力学仿真，找出故障原因并提出筒弹设计方案更改建议.

1问题描述

某旋转弹筒弹模型示意见图1，包括弹体和发射筒2部分，其中弹体包含空气舵、支撑环和尾翼等结构，发射筒内有4条螺旋导轨.弹体通过支撑环和尾翼座与螺旋导轨进行配合.在导弹发射时，弹体在发动机推力和导轨的旋转力矩作用下向前旋转发射出筒.为验证筒弹结构的分离协调性，进行筒弹地面分离试验.在试验中发动机推力用弹簧力替代.试验结果显示：在弹体出筒后，发射筒内壁靠近筒口处产生4条明显划痕，尾翼座也存在较严重的机械损伤，即尾翼座与筒内壁发生严重刮擦，见图2.

图 1旋转弹筒弹模型示意

Fig.1Schematic of missiletube model of rotative missile

图 2尾翼座与筒内壁刮擦示意

Fig.2Schematic of scratch between tail mounting and

launch tube

2建立筒弹动力学模型

2.1几何建模

利用RecurDyn强大的外部模型导入接口，可直接导入包含x_t，igs和step等常用中间格式的几何模型.本文将原始的SolidWorks格式的筒弹模型中转成x_t格式后导入RecurDyn中形成筒弹几何模型，且该几何模型已自动包含质心和转动惯量等仿真所需的几何信息.

2.2物理建模

采用RecurDyn进行多体系统动力学建模时，无须推导繁琐复杂的动力学方程，只需根据实际情况，在已赋予物理属性的几何模型上对物体施加运动约束、载荷和初始条件即可形成动力学物理模型.该筒弹模型中的物体均视为刚体，物体间的主要约束关系和载荷见表1.

表 1主要约束关系和载荷

Tab.1Main constraint relations and loads物体约束对约束形式载荷数量舵面弹体圆柱副弹簧力4支撑环弹体固定副1弹体发射筒发动机推力1尾翼面尾翼座圆柱副弹簧力4尾翼座弹体固定副1导轨发射筒固定副4发射筒大地固定副1

在多体系统动力学仿真中，接触设置的准确与否直接关系仿真的成败.由于接触参数无确切的参考值，需根据经验并多次调试后确定.调试原则为物体穿透深度合理，接触力尽量平滑.RecurDyn中物体间的接触力F=kδm1+cδ·δ·δ·m2δm3式中：k为接触刚度系数；c为阻尼系数；m1，m2和m3分别为刚度指数、阻尼指数和凹痕指数；δ和δ·分别为穿透深度及其1阶导数.当使用边界穿深方式定义接触时，m2和m3不需设置.

该筒弹模型存在的接触对和采用的接触参数分别见表2和3.表 2接触对

Tab.2Contact接触对数量接触对数量舵面发射筒4尾翼座发射筒1舵面弹体4尾翼座导轨4支撑环导轨4尾翼面尾翼座4弹体导轨4尾翼面发射筒4

表 3边界下的穿深方式接触参数

Tab.3Contact parameters under boundary penetration刚度系数/

（N/mm）阻尼系数/

（N·s/mm）刚度

指数动摩擦

因数最大迭

代步数3 000～5 0005～81.20.1100

3仿真及结果

3.1筒弹分离试验故障复现

在筒弹分离试验中，尾翼座根部与筒壁发生严重刮擦.为解释试验现象、找出故障原因，首先对筒弹分离试验进行故障复现.试验中弹簧力的大小和持续时间难以确定，仅能根据试验时弹体的出筒瞬时速度设定仿真输入.经过几次调试，在仿真模型中对弹体施加大小为5 000 N，持续时间为0.165 s的推力时弹体出筒速度与试验相符.此时，尾翼座对筒壁上4个位置的穿透深度和尾翼座与筒壁的接触力曲线分别见图3和4.a）穿透点1b）穿透点2c）穿透点3d）穿透点4

图 3尾翼座对筒壁的4处穿透深度曲线

Fig.3Four penetration depth curves of launch tube scratched by tail mountingendprint

图 4尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.4Contact force curves between tail mounting and

launch tube wall

由图3和4可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置均产生接触，最大穿透深度达0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁间存在较大的、持续的接触力.该仿真结果与试验现象相符.

分析认为，造成尾翼座与筒壁产生强烈刮擦的可能原因有2点：一是试验时弹体出筒速度太低，俯仰角大，尾翼座后端翘起，直接造成与筒壁的碰擦；二是尾翼座前缘与筒壁间的间隙偏小，使尾翼座容易与筒壁刮擦.

3.2更改设计后筒弹分离试验仿真

为防止筒弹分离试验中再次发生刮擦问题，根据分析的故障原因对尾翼座和导轨设计进行更改：对尾翼座前缘进行倒角，并将两短导轨延长至筒口，从而增大尾翼座与筒壁间隙、降低弹体出筒俯仰角.为预测更改设计后筒弹分离试验结果，使用与第3.1节相同的输入，对改进后的筒弹模型进行仿真，仿真结果见图5和6，可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置仅有1处发生接触，最大穿透深度为0.23 mm，明显小于改进前的0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁之间接触力的持续时间变短.分析认为：尾翼座和导轨经过改进后对防止尾翼座与筒壁的刮擦起到很好的作用，出筒时弹体俯仰角明显降低，尾翼座与筒壁虽仍存在短时接触，但接触时间、接触点和穿透深度明显减少或减小.由于弹体在重力作用下会产生低头角速度，且试验条件限制使弹体出筒速度较小，加上尾翼座与筒壁间隙总体较小，试验时尾翼座与筒壁产生较轻、时间较短的碰擦在所难免，对试验影响也不太大，且在正常发动机推力下该影响更小甚至消失.因此，该分析结论的正确性得到第二次试验的证实.a）穿透点1b）穿透点2c）穿透点3d）穿透点4图 5更改设计后尾翼座对筒壁的4处穿透深度曲线

Fig.5Four penetration depth curves of launch tube scratched by tail mounting after redesign

图 6更改设计后尾翼座与筒壁接触合力曲线

Fig.6Contact force curve between tail mounting and launch tube wall after redesign

3.3正常发动机推力状态出筒过程仿真

为验证尾翼座和导轨更改后的效果，对更改后正常发动机状态下的筒弹分离过程进行仿真.该状态下尾翼座与筒壁的接触力曲线见图7.

图 7在正常发动机推力下尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.7Contact force curve between tail mounting and launch tube wall under normal engine thrust由图7可知，尾翼座与筒壁接触力为0，两者不存在接触，即经过尾翼座和导轨的改进后，在正常发动机推力状态下，尾翼座和筒壁不再发生刮擦，也证实第3.1节故障原因分析中的速度因素.

仿真结果还给出其他出筒参数，如弹体完全出筒时间、出筒瞬间的弹体速度、俯仰角、俯仰角速度和滚转角速度等，为筒弹设计提供重要仿真数据.

4结论

针对某旋转弹筒弹分离试验时尾翼座与筒壁的刮擦问题，采用RecurDyn对弹体出筒过程进行动力学仿真，根据仿真结果对筒弹设计方案提出更改建议.第二次试验证实仿真结果及其分析结论的正确性.最后给出设计方案更改后正常发动机推力状况下弹体出筒过程的仿真结果.本文将RecurDyn成功应用于旋转弹的运动仿真研究中，解决实际问题，缩短设计周期，降低研制成本.参考文献：

[1]焦晓娟， 张湝渭， 彭斌彬. RecurDyn多体系统优化仿真技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2010： 12.

[2]刘广， 郑铁生. 基于虚拟样机技术的舵系统动力学仿真研究[J]. 系统仿真学报， 2011， 23（3）： 502505.

LIU Guang， ZHENG Tiesheng. Dynamic simulation study of rudder system based on virtual prototype technology[J]. J System Simulation， 2011， 23（3）： 502505.

[3]王玉， 羊玢. 基于RecurDyn的液压挖掘机的建模与动态分析[J]. 重庆理工大学学报： 自然科学版， 2011， 25（8）： 1013.

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[4]毛立民， 于海涛. 基于RecurDyn的四履带足机器人运动学仿真[J]. 微计算机信息， 2009（35）： 185186.

MAO Limin， YU Haitao. Kinematics simulation of the robot with four tracked feet based on RecurDyn[J]. Microcomputer Information， 2009（35）： 185186.

[5]刘晓东， 郭为君， 张瑞宏. 基于RecurDyn的链轮静强度有限元分析[J]. 机械传动， 2010， 34（12）： 5658.

LIU Xiaodong， GUO Weijun， ZHANG Ruihong. Finite element analysis of static strength of sprocket based on RecurDyn[J]. J Mech Transmission， 2010， 34（12）： 5658.

[6]黄铁球， 果琳丽， 曾海波. 基于RecurDyn的动力学与控制一体化仿真模式研究[J]. 航天控制， 2010， 28（3）： 6064.

HUANG Tieqiu， GUO Linli， ZENG Haibo. Integrated simulation modes study of dynamics and control based on RecurDyn[J]. Aerospace Control， 2010， 28（3）： 6064.

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图 4尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.4Contact force curves between tail mounting and

launch tube wall

由图3和4可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置均产生接触，最大穿透深度达0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁间存在较大的、持续的接触力.该仿真结果与试验现象相符.

分析认为，造成尾翼座与筒壁产生强烈刮擦的可能原因有2点：一是试验时弹体出筒速度太低，俯仰角大，尾翼座后端翘起，直接造成与筒壁的碰擦；二是尾翼座前缘与筒壁间的间隙偏小，使尾翼座容易与筒壁刮擦.

3.2更改设计后筒弹分离试验仿真

为防止筒弹分离试验中再次发生刮擦问题，根据分析的故障原因对尾翼座和导轨设计进行更改：对尾翼座前缘进行倒角，并将两短导轨延长至筒口，从而增大尾翼座与筒壁间隙、降低弹体出筒俯仰角.为预测更改设计后筒弹分离试验结果，使用与第3.1节相同的输入，对改进后的筒弹模型进行仿真，仿真结果见图5和6，可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置仅有1处发生接触，最大穿透深度为0.23 mm，明显小于改进前的0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁之间接触力的持续时间变短.分析认为：尾翼座和导轨经过改进后对防止尾翼座与筒壁的刮擦起到很好的作用，出筒时弹体俯仰角明显降低，尾翼座与筒壁虽仍存在短时接触，但接触时间、接触点和穿透深度明显减少或减小.由于弹体在重力作用下会产生低头角速度，且试验条件限制使弹体出筒速度较小，加上尾翼座与筒壁间隙总体较小，试验时尾翼座与筒壁产生较轻、时间较短的碰擦在所难免，对试验影响也不太大，且在正常发动机推力下该影响更小甚至消失.因此，该分析结论的正确性得到第二次试验的证实.a）穿透点1b）穿透点2c）穿透点3d）穿透点4图 5更改设计后尾翼座对筒壁的4处穿透深度曲线

Fig.5Four penetration depth curves of launch tube scratched by tail mounting after redesign

图 6更改设计后尾翼座与筒壁接触合力曲线

Fig.6Contact force curve between tail mounting and launch tube wall after redesign

3.3正常发动机推力状态出筒过程仿真

为验证尾翼座和导轨更改后的效果，对更改后正常发动机状态下的筒弹分离过程进行仿真.该状态下尾翼座与筒壁的接触力曲线见图7.

图 7在正常发动机推力下尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.7Contact force curve between tail mounting and launch tube wall under normal engine thrust由图7可知，尾翼座与筒壁接触力为0，两者不存在接触，即经过尾翼座和导轨的改进后，在正常发动机推力状态下，尾翼座和筒壁不再发生刮擦，也证实第3.1节故障原因分析中的速度因素.

仿真结果还给出其他出筒参数，如弹体完全出筒时间、出筒瞬间的弹体速度、俯仰角、俯仰角速度和滚转角速度等，为筒弹设计提供重要仿真数据.

4结论

针对某旋转弹筒弹分离试验时尾翼座与筒壁的刮擦问题，采用RecurDyn对弹体出筒过程进行动力学仿真，根据仿真结果对筒弹设计方案提出更改建议.第二次试验证实仿真结果及其分析结论的正确性.最后给出设计方案更改后正常发动机推力状况下弹体出筒过程的仿真结果.本文将RecurDyn成功应用于旋转弹的运动仿真研究中，解决实际问题，缩短设计周期，降低研制成本.参考文献：

[1]焦晓娟， 张湝渭， 彭斌彬. RecurDyn多体系统优化仿真技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2010： 12.

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[4]毛立民， 于海涛. 基于RecurDyn的四履带足机器人运动学仿真[J]. 微计算机信息， 2009（35）： 185186.

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[5]刘晓东， 郭为君， 张瑞宏. 基于RecurDyn的链轮静强度有限元分析[J]. 机械传动， 2010， 34（12）： 5658.

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[6]黄铁球， 果琳丽， 曾海波. 基于RecurDyn的动力学与控制一体化仿真模式研究[J]. 航天控制， 2010， 28（3）： 6064.

HUANG Tieqiu， GUO Linli， ZENG Haibo. Integrated simulation modes study of dynamics and control based on RecurDyn[J]. Aerospace Control， 2010， 28（3）： 6064.

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图 4尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.4Contact force curves between tail mounting and

launch tube wall

由图3和4可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置均产生接触，最大穿透深度达0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁间存在较大的、持续的接触力.该仿真结果与试验现象相符.

分析认为，造成尾翼座与筒壁产生强烈刮擦的可能原因有2点：一是试验时弹体出筒速度太低，俯仰角大，尾翼座后端翘起，直接造成与筒壁的碰擦；二是尾翼座前缘与筒壁间的间隙偏小，使尾翼座容易与筒壁刮擦.

3.2更改设计后筒弹分离试验仿真

为防止筒弹分离试验中再次发生刮擦问题，根据分析的故障原因对尾翼座和导轨设计进行更改：对尾翼座前缘进行倒角，并将两短导轨延长至筒口，从而增大尾翼座与筒壁间隙、降低弹体出筒俯仰角.为预测更改设计后筒弹分离试验结果，使用与第3.1节相同的输入，对改进后的筒弹模型进行仿真，仿真结果见图5和6，可知：尾翼座与筒壁可能发生接触的4个位置仅有1处发生接触，最大穿透深度为0.23 mm，明显小于改进前的0.88 mm；在弹体出筒之前尾翼座与筒壁之间接触力的持续时间变短.分析认为：尾翼座和导轨经过改进后对防止尾翼座与筒壁的刮擦起到很好的作用，出筒时弹体俯仰角明显降低，尾翼座与筒壁虽仍存在短时接触，但接触时间、接触点和穿透深度明显减少或减小.由于弹体在重力作用下会产生低头角速度，且试验条件限制使弹体出筒速度较小，加上尾翼座与筒壁间隙总体较小，试验时尾翼座与筒壁产生较轻、时间较短的碰擦在所难免，对试验影响也不太大，且在正常发动机推力下该影响更小甚至消失.因此，该分析结论的正确性得到第二次试验的证实.a）穿透点1b）穿透点2c）穿透点3d）穿透点4图 5更改设计后尾翼座对筒壁的4处穿透深度曲线

Fig.5Four penetration depth curves of launch tube scratched by tail mounting after redesign

图 6更改设计后尾翼座与筒壁接触合力曲线

Fig.6Contact force curve between tail mounting and launch tube wall after redesign

3.3正常发动机推力状态出筒过程仿真

为验证尾翼座和导轨更改后的效果，对更改后正常发动机状态下的筒弹分离过程进行仿真.该状态下尾翼座与筒壁的接触力曲线见图7.

图 7在正常发动机推力下尾翼座与筒壁接触力曲线

Fig.7Contact force curve between tail mounting and launch tube wall under normal engine thrust由图7可知，尾翼座与筒壁接触力为0，两者不存在接触，即经过尾翼座和导轨的改进后，在正常发动机推力状态下，尾翼座和筒壁不再发生刮擦，也证实第3.1节故障原因分析中的速度因素.

仿真结果还给出其他出筒参数，如弹体完全出筒时间、出筒瞬间的弹体速度、俯仰角、俯仰角速度和滚转角速度等，为筒弹设计提供重要仿真数据.

4结论

针对某旋转弹筒弹分离试验时尾翼座与筒壁的刮擦问题，采用RecurDyn对弹体出筒过程进行动力学仿真，根据仿真结果对筒弹设计方案提出更改建议.第二次试验证实仿真结果及其分析结论的正确性.最后给出设计方案更改后正常发动机推力状况下弹体出筒过程的仿真结果.本文将RecurDyn成功应用于旋转弹的运动仿真研究中，解决实际问题，缩短设计周期，降低研制成本.参考文献：

[1]焦晓娟， 张湝渭， 彭斌彬. RecurDyn多体系统优化仿真技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2010： 12.

[2]刘广， 郑铁生. 基于虚拟样机技术的舵系统动力学仿真研究[J]. 系统仿真学报， 2011， 23（3）： 502505.

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[3]王玉， 羊玢. 基于RecurDyn的液压挖掘机的建模与动态分析[J]. 重庆理工大学学报： 自然科学版， 2011， 25（8）： 1013.

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[4]毛立民， 于海涛. 基于RecurDyn的四履带足机器人运动学仿真[J]. 微计算机信息， 2009（35）： 185186.

MAO Limin， YU Haitao. Kinematics simulation of the robot with four tracked feet based on RecurDyn[J]. Microcomputer Information， 2009（35）： 185186.

[5]刘晓东， 郭为君， 张瑞宏. 基于RecurDyn的链轮静强度有限元分析[J]. 机械传动， 2010， 34（12）： 5658.

LIU Xiaodong， GUO Weijun， ZHANG Ruihong. Finite element analysis of static strength of sprocket based on RecurDyn[J]. J Mech Transmission， 2010， 34（12）： 5658.

[6]黄铁球， 果琳丽， 曾海波. 基于RecurDyn的动力学与控制一体化仿真模式研究[J]. 航天控制， 2010， 28（3）： 6064.

HUANG Tieqiu， GUO Linli， ZENG Haibo. Integrated simulation modes study of dynamics and control based on RecurDyn[J]. Aerospace Control， 2010， 28（3）： 6064.

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