某机载导弹弹射装置建模及参数敏感性分析

梁倩倩,刘永寿,高宗战

(西北工业大学工程力学系,西安 710129)



某机载导弹弹射装置建模及参数敏感性分析

梁倩倩,刘永寿,高宗战

(西北工业大学工程力学系,西安 710129)

针对某导弹弹射装置在进行多体系统动力学仿真时,结构的弹性变形和挂钩细节接触碰撞均会影响导弹分离参数的问题,文中提出了一种含挂钩机构的导弹弹射装置的刚柔耦合多体动力学模型。基于弹性变形理论和多体动力学理论,利用PATRAN和ADAMS软件完成弹射装置刚柔耦合模型的建立和仿真,并对其参数进行敏感性分析。仿真结果表明,结构的弹性变形、导弹质心位置、导弹质量和作动筒的气源压力都会影响导弹分离姿态。

弹射装置;刚柔耦合;敏感性分析;多体动力学;动力学仿真

0 引言

空空导弹有两种发射形式,一为导轨发射,二为弹射发射。相较于外挂式导轨发射,内置式弹射发射能够避免发射装置在机身外部对载机飞行性能的影响,使飞机保持良好的气动外形,又能够有效的隐藏导弹信号特征,实现飞机的隐身性能,显著提高战斗机的综合作战能力。因此,加强内置式导弹弹射装置的研究,是我国迈进第五代战机的必经之路。

目前,国内外学者对弹射装置做了大量的研究:文献[1-3]利用Matlab建立弹射装置的数学仿真模型,研究其动态特性参数变化规律和参数变化对装置工作性能的影响;在文献[4]中,一种氮气作动筒的弹射装置数学模型被建立,用于分析作动筒气源压力和弹体质量变化对导弹分离参数的影响;文献[5-7]基于柔性多体动力学理论,考虑结构的弹性变形,验证了刚柔耦合模型的可行性和可用性;文献[8-9],应用复合型优化方法对影响导弹弹射性能的若干参数进行优化设计。以上研究都主要针对于弹射装置中的八连杆机构,未考虑挂钩细节对导弹发射姿态的影响，而挂钩机构在弹射装置和导弹之间力和运动的传递过程中起着至关重要的作用,直接影响着导弹在离开弹射装置时能否保持良好的姿态[5],安全越过干扰区。因此,考虑挂钩机构的影响,建立更加接近真实装置的虚拟样机就显得尤为重要。

文中采用主流动力学仿真软件ADAMS在综合考虑结构的弹性变形、接触碰撞、驱动力函数的基础上,建立含完整挂钩机构的内置式导弹弹射装置虚拟样机,并在此样机上进行动态参数(导弹质心位置、导弹质量和作动筒的气源压力)的敏感性分析,研究各参数对弹射过程中分离参数的影响。文中的建模思想和研究方法为弹射装置的设计和改进提供了参考。

1 导弹弹射装置动力学模型

内置式导弹弹射装置由八连杆平衡机构、挂钩机构和作动筒组成,实现弹射动作(见图1)。上骨架为发射装置的主要承力部件,下骨架主要用于安装挂钩,拉杆和摇臂用于平衡机构运动,挂钩用于悬挂导弹,作动筒是实现弹射动作的主要执行部件。

图1 导弹弹射机构三维模型

弹射装置的弹射过程如下所述,作动筒受高压气体作用逐级展开,带动下骨架垂直向下运动,下摇臂分别克服阻力绕固定轴1、2转动,并驱动上摇臂分别绕轴3、4转动,拉杆两端与接触摇臂为铰接约束,保证左右两部分的同步运动。当多级弹射活塞作动筒带动八连杆机构实现规定行程后,安装于下骨架上的挂钩机构打开,将导弹弹射出去。图2和图3分别是左右挂钩机构的三维模型图。左挂钩工作原理是,垂直部件绕轴5旋转,使耳片向下运动,带动连接件向下运动,钩子大孔与挂钩外壳共轴连接,在受连接件的作用力后绕轴6、7旋转,左挂钩打开。同时,右挂钩垂直部件绕轴8旋转,耳片向下运动,带动钩子绕与挂钩连接轴运动,右挂钩打开。

图2 左挂钩三维模型

2 刚柔耦合模型的建立与仿真

ADAMS中以刚体的质心笛卡尔坐标和刚体的方位作广义坐标定义坐标系。考虑约束方程,用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程的能量形式,建立系统的动力学方程如下:

(1)

式中:T为系统广义动能;qj为广义坐标;Qj表示在qj方向下的广义力;Φ表示系统约束。

图3 右挂钩三维模型

2.2 建模的基本构架

首先在SOLIDWORKS中建立弹射装置几何模型,然后将模型导入ADAMS中建立刚性仿真模型,再导入到PATRAN建立机构的有限元模型,并提交NASTRAN对机构进行模态分析获得模态中性文件。利用PATRAN与ADAMS的接口,把包含构件模态信息的文件导入ADAMS完成刚柔耦合模型的建立。文中建模流程见图4所示。

图4 模型建立流程图

2.3 边界条件

仿真中的动力曲线,是由某厂提供的3种波形类似,峰值不同的作动筒液压曲线,利用ADAMS中的AKISPL(time,0,spline,0)函数,分别作为边界条件对弹射装置进行加载。作用于三级作动筒上的驱动力函数如表1所示。

表1 三级作动筒驱动力函数表

表中:R1、R2、R3为一级、二级、三级作动筒的半径;d为三级作动筒的总伸长量;s为提供的液压曲线在ADAMS中对应生成的样条曲线。

3 动力学仿真及参数敏感性分析

内置式导弹弹射装置弹架分离时导弹的速度、加速度、俯仰角度是验证弹射装置的重要参数。为更好的研究和认识弹射装置的动态特性,对下面几个因素进行敏感性分析:1)对比刚性模型和刚柔耦合模型的仿真数据,分析弹性变形的影响;2)对比导弹质心不同的仿真结果,分析质心位置的影响;3)对比导弹不同质量下的仿真结果,研究弹射装置的普适性;4)对比不同气源压力下的仿真结果,分析气源压力对导弹分离参数的影响。

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3.1 刚性模型与刚柔耦合模型仿真数据对比

弹射装置中构件的结构在动载荷作用下结构会产生变形,并且当外部激励在结构的固有频率附近时构件会产生共振。这些都会影响弹架分离时导弹的分离姿态。考虑结构弹性变形的影响,将构件进行柔性化处理,建立刚柔耦合的仿真模型。图5～图7分别是刚性模型和刚柔耦合模型的导弹质心的速度、加速度和导弹俯仰角度的对比图。

图5 导弹速度曲线

图5表明,导弹弹射过程中速度与时间成正比,弹射装置的弹性变形会使导弹的分离速度加快,从而会缩短弹架分离所用的时间。

图6 导弹加速度曲线

图7 导弹俯仰角度曲线

图8 导弹速度曲线

图6为导弹质心的加速度曲线,从图中可以看出导弹的加速度大体分为3个级阶段,这与三级作动筒上的气源压力相对应,且三个阶段耦合模型的加速度值均大于刚性模型的加速度,与分离速度曲线变化相一致。图7反映了弹射装置的弹性变形对导弹俯仰角度有较大影响,当考虑弹射装置的弹性变形时,导弹的俯仰角度会随之增大,更为接近真实情况。

3.2 导弹质心位置对动态参数的影响

导弹生产工艺误差可能造成导弹质心位置的改变,通过改变导弹质心的位置,研究其对导弹动态参数的影响。图8～图10分别为质心在设计位置,设计位置前,设计位置后的导弹速度、加速度和俯仰角度对比图。

图8～图9表明当导弹质心位置在一定范围内前移或者后移对导弹分离速度、加速度不会产生明显影响。从图10中可以看出,质心位置越靠前导弹俯仰角度越大。这说明导弹质心位置对该弹射装置的影响较大,发射导弹时要充分考虑导弹质心位置对导弹俯仰角度的影响。

图9 导弹加速度曲线

图10 导弹俯仰角度曲线

3.3 导弹质量对弹射装置的影响

不同型号的导弹质量不同,为检验弹射装置的通用性,修改导弹的质量分别为205 kg、305 kg和405 kg进行仿真,研究导弹质量对弹射过程中动态参数的影响。仿真结果如图11～图13所示。

图11 导弹速度曲线

图11～图13表明,导弹的速度、加速度与导弹的质量成反比关系,且导弹质量等差增加时,其末速度的增量呈变小趋势。与理论分析相一致,弹架分离的时间随导弹质量的增加而变长。这就说明该导弹弹射装置在投放导弹时,要考虑所携带导弹的质量因素,才能更为准确的击中目的地。

3.4 气源压力对导弹分离参数的影响

弹射装置可能在不同的气源压力下弹射导弹,在其它条件不变的情况下,使作动筒上气源压力曲线的峰值分别为10.3 MPa、14.4 MPa、18.0 MPa进行仿真。图14～图16分别为3种气源压力下导弹质心速度、加速度和俯仰角度的对比图。

图12 导弹加速度曲线

图13 导弹俯仰角度曲线

图14 导弹速度曲线

图15 导弹加速度曲线

图14～图16表明作动筒气源压力对导弹的速

图16 导弹俯仰角度曲线

度、加速度和俯仰角度有影响。在一定范围内可通过增大作动筒的气源压力来提高导弹的分离速度。

4 结论

文中以内置式导弹弹射装置为研究对象,将ADAMS动力学仿真与PATRAN有限元分析相结合,对八连杆机构和挂钩机构细节做了精确的建模,实现了对某内置式导弹弹射装置的敏感性分析。文中在结构的弹性变形,驱动力函数方程,构件间接触力等考虑的基础上,进一步对弹射装置中的挂钩机构进行了精确完整的建模,使得所建立的内置式弹射装置仿真模型更为接近真实装置。用所建的模型对弹射过程中的导弹质心位置、导弹质量、作动筒气源压力参数进行一系列的对比分析,找出了各个参数变化对弹射过程中导弹动态参数的影响规律,为装置的进一步设计、优化提供依据。

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Simulation Modeling and Parameter Sensitivity Analysis of Airborne Missile Ejection Device

LIANG Qianqian,LIU Yongshou,GAO Zongzhan

(Department of Engineering Mechanics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

Due to influence on missile separation parameter caused by elastic deformation and hook collision in multi-body dynamic simulation of missile ejection device, a missile ejection launcher with hook device and rigid-flexible coupled multi-body dynamic model was proposed. Based on elastic deformation theory and multi-body dynamics theory, the rigid-flexible coupling dynamic model of ejection device was established using PATRAN and ADAMS, and sensitivity of the model parameters was analyzed. The simulation results show that elastic deformation of structure, mass center and missile quality and air supplying pressure of actuating cylinder have influences on missile separation attitude.

ejection device; rigid-flexible coupling; sensitivity analysis; multi-body dynamics; dynamics simulation

2015-01-20

国家自然科学基金(51205312)资助

梁倩倩(1991-),女,河南焦作人,硕士研究生,研究方向:多体动力学仿真。

TJ768.2

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