ADAMS的全地形车载火箭炮行进间发射动力学研究

丰 佩，张 龙，崔龙飞

（1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094；2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014）

ADAMS的全地形车载火箭炮行进间发射动力学研究

丰 佩1，张 龙1，崔龙飞2

（1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094；2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014）

利用多体动力学软件ADAMS、有限元分析软件ABAQUS建立了全地形车载火箭炮系统发射与行驶一体化动力学模型，基于路面功率谱密度函数和谐波叠加法，创建了全地形车野外行驶的三维随机土石路况模型，对战车行进间发射进行了动力学仿真。分析该型号车载火箭炮行进间发射的动力学特性，得到了战车及发射装置的动态响应情况及运动特性和车速对发射的影响规律。仿真结果表明，全地形车可以在土石路况低速行驶完成行进间发射任务。

火箭炮，动力学，路面谱，行进间发射，动力学响应

0 引言

火箭武器行进间发射涉及地面力学、车辆动力学和发射动力学等多个领域，行进间发射过程，系统内部件受力和运动情况十分复杂，通过仿真或计算手段实现对新型武器系统的性能预测十分有意义。本文针对车载式火箭武器系统，基于车辆轮胎动力学、火箭发射动力学和路谱原理，利用有限元分析软件ABAQUS建立定向管、俯仰耳轴、底座等柔性部件有限元模型，通过外部节点设置和模态计算，获得MNF模态中性文件，利用ADAMS-Flex柔性模块导入仿真模型，替换原来的刚性体，建立系统行驶和发射一体化动力学仿真模型，分析战车在土石路况下行进间发射时系统的动态响应、火箭的运动和受力情况，验证发射的可行性，为武器系统设计进一步设计和开展试验研究提供参考。行进间发射动力学仿真流程如下页图1所示。在MATLAB中建立随机路面，导入到ADAMS中，添加轮胎，进行仿真分析。

图1 行进间发射仿真流程图

1 车-炮-路面刚柔耦合和模型的建立

1.1 路面模型的创建

谐波叠加法拟合不平路面的原理是：设路面高程为平稳的、遍历的均值为0的Gaussian过程，则可以用不同形式的三角级数进行模拟。以下以正弦波为例加以描述。随机正弦波（或其它谐波）叠加法采用以离散谱逼近目标随机过程的模型，是一种离散化数值模拟路面的方法。

已知在空间频率n1＜n＜n2内的路面位移谱密度为Gd（n），利用平稳随机过程的平均功率的频谱展开性质，路面不平度的方差为

将区间（n1，n2）划分为n个小区间，取每个小区间的中心频率nmid-i（i=1，2，…，n）处的谱密度值Gd（nmid-i）代替Gd（n）在整个小区间内的值，则式（2）离散化后近似为

对应每个小区间，现在要找到具有频率nmid-i（i=1，2，…，n），且其标准差为正弦波函数，这样的正弦波函数可为

将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到频域路面随机位移输入。

式中：θ～［0，2π］上均匀分布的随机数；x为频域路面的X方向。

自此，通过离散频域路面的X方向的x值，就可以得到空间频域下随机路面Y方向的值。由国内实测的道路不平度的统计资料得到，其中土石路的Gd（n0）=1 107.7（mm2/m-1），相当于D级路面。利用谐波叠加法得到的D级路面谱如图所示［1］。

图2 D级随机路面

1.2 ADAMS中三维路面通用模型构建

ADAMS中路面文件通常包含7部分：路面文件类型、路面谱在X、Y、Z方向上的比例因子、位置原点、路面谱向上的方向、地面坐标系方向相对于大地坐标系方向的转换矩阵、路面谱的节点（Nodes）、路面谱单元（Elements）等。核心部分是Nodes与Elements。Nodes是四维向量矩阵，由节点序号及该节点的三维坐标构成；Elements是五维向量矩阵，由构成它的3个节点序号及该单元的摩擦系数组成。只需确定Nodes矩阵以及Elements矩阵，即可以生成相应的路面文件。

利用上节中描述的正弦谐波叠加法拟合不平路面的原理，在MATLAB中编写的通用性Elements生成算法。将MATLAB计算得到的节点和单元写入路面文件中，保存为*.rdf格式，在仿真使导入ADAMS［2］。

1.3 轻型全地形车轮胎模型的模拟

轮胎是汽车重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的主要行驶性能。轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。轮胎模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。因此，选用轮胎模型是至关重要的。由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。轻型全地形车使用的轮胎型号为AT27X12-14，气压均为45 KPa，最大负载440 Kg，属于低压胎。

本文全地形车轮胎型号为AT27X12-14，采用PAC2002轮胎模型模拟，PAC2002轮胎模型认为轮胎在垂直、侧向方向上是线性的、阻尼为常量，这在侧向加速度常见范围≤0.4 g，侧偏角≤5°的情景下对常规轮胎具有很高的拟合精度。由于PAC2002轮胎模型使用的魔术公式基于试验数据，除在试验范围的高精度外，甚至在极限值以外一定程度仍可使用，可以对有限工况进行外推且具有较好的置信度。全地形车轮胎的魔术公式系数由制造商提供。

H B Pacejka轮胎模型采用SAE标准轮胎运动坐标系，基于魔术公式的轮胎力计算输入和输出变量关系如图1所示。魔术公式一般形式如下：

式中Y（x）可以是侧向力，也可以是回正力矩或者纵向力，自变量x可以在不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率，B为刚度因子，C为曲线形状因子，D巅因子，式中的系数B、C、D依次由轮胎的垂直载荷和外倾角来确定。

1.4 全地形车载火箭炮总体模型

多管火箭炮发射系统是个复杂的机械系统，在建模过程中，根据其结构特点，可将全炮分为：底座、回转机构（电机、减速器等）、俯仰机构（电机、减速器及主轴）、发射箱（定向管、火箭弹）4大部分。发射过程中弹性变形较大的几个部件（定向管、俯仰轴、底座）在仿真中定义为柔性体，火箭炮刚柔耦合模型如图3所示［3］。

图3 行驶、发射一体化刚柔耦合模型

将轮胎模型添加到刚柔耦合模型中，将编写好的随机路面谱放置于轻型全地形车下，建立战车系统行驶和发射一体化刚柔耦合动力学模型（见图3），共有自由度1 233个。定义系统惯性坐标系如下：X指向车尾，Y垂直地面向上，Z根据右手坐标法则确定，其他构件连体坐标同系统惯性坐标方向一致。

2 行进间发射动力特性研究

快速反应、高速机动是未来高技术局部战争对武器装备的基本需求，空降作战、两栖登陆作战、山地作战、打击恐怖势力作战在现代战争中占有越来越重要的位置，这些战争对武器装备除要求高机动性外，还有对各种道路和地面的广泛适应性要求，全地形车通常行驶在凹凸不平的山地上，可由国内实测的道路不平度的统计资料得到，其中山地土石路面不平度相当于D级路面，因此，D级路面三维模型代替土石路面，对车载火箭炮在野外行进间发射过程进行模拟分析，验证发射的可行性。进行3种不同车速下的行进间发射动力学仿真，获得了车辆与发射装置的动态响应、火箭弹的过载和运动以及发射的安全性情况。仿真结果表明，在满足车速条件下，可以完成行进间发射任务。

2.1 行进间发射过程仿真

为考察车速对发射的影响，车速分别为20 km/h、30 km/h、40 km/h，进行行驶和发射动力学仿真。

将编写好的不同级随机路面谱放置于轻型全地形车下，为模拟战车在匀速行进中进行发射，先进行行驶动力学仿真，为战车从静态加速到一定速度，处于匀速行驶状态，11.178 s后进行第一枚解锁、开始发射，按照传统射序“先上后下，先左后右，左右对称交替”，进行连续射击，射击间隔0.175 s，设定仿真总时间为12.66 s，通过编写脚本语言进行仿真控制。

2.2 不同行驶速度仿真结果分析

首先，将车速设置为20km/h进行仿真，第一发火箭弹出口时刻，刚柔耦合模型中，柔性体的Von Mises Stress云图如下图所示，最大应力为136.77MPa，主要集中在底座与回转体相连接的部位。

图4 刚柔耦合模型Von Mises Stress云图

图5 射击期间俯仰力矩变化曲线

仿真11.178 s后进行第一枚火箭弹解锁，八枚火箭弹依次开始发射，通过ADAMS后处理模块得到行进间发射过程中，发射架的动态响应特性，射击期间俯仰力矩变化曲线如图5所示，发射架的过载如图6和图7。从图中可以看出在发射时刻，由于火箭弹与定向管的作用，使得俯仰方向力矩发生较大的突变。

图6 射击期间发射架X方向过载曲线

图7 射击期间发射架y方向过载曲线

图8 定向器束俯仰角加速度变化曲线

定向器束俯仰角加速度变化如图8所示，俯仰角加速度在发射时刻发生较大的突变。为考虑车速对发射的影响，取战车行驶速度为20 km/h、30 km/h、40 km/h 3种车度进行行进间发射动力学仿真，因篇幅有限文中不提供全部仿真曲线，不同车速发射架回转体质心测点垂向速度曲线如图9所示，曲线峰值随着车速提高有明显增大趋势；由于受路面随机性和战车在路面上的发射点不同的影响，形成了火箭弹解锁时刻系统的不同初始条件，火箭弹出口姿态表现出随机性，曲线峰值对应时刻也相错位，但曲线振荡频率基本一致［4］。

图9 不同车速起落架测点垂向速度曲线

综合可得，在未铺装路况下，车速越大，战车系统的振动越大，火箭弹出口姿态偏差越大，发射精度越低，安全可靠性越差［5］。

3 结论与展望

①在ADAMS中构建了全地形车载火箭炮虚拟样机模型，对不同车速行进间发射过程进行了动力学仿真。不同车速仿真结果对比表明，车速越快，战车及装置的振动越激烈，火箭弹初始扰动加大，射击精度降低，发射安全可靠性也下降，低车速更有利于行进间发射。应尽量选择在质量好的路面上实施行进间射击，这将会降低系统的振动，改善系统的行驶平顺性。路面越恶劣，行驶速度不能越高［7］。

②文中建立的模型未考虑系统随机因素影响，可进一步建立系统的随机动力学模型并开展随机虚拟试验研究，以提高仿真分析的精度。

③在后续研究中，将建立车载武器的机械系统与控制系统联合仿真模型，研究动态跟踪过程中的武器系统的动力学响应，以及瞬态强冲击下系统的响应控制规律，以提高射击精度和密集度。

［1］陈余军，姜毅.车载导弹行进间发射动力学仿真分析［J］.弹箭与制导学报，2011,31（1）：55-57.

［2］陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005：56-57.

［3］李军，马大为，曹听荣，等.火箭发射系统设计［M］.北京：国防工业出版社，2008：213-215.

［4］周成，顾克秋，卢其辉，等.履带式自行火炮发射动力学仿真建模［J］.四川兵工学报，2013（6）：20-23

［5］崔龙飞，张龙，罗云，等.基于刚柔耦合模型的火箭炮发射动态响应研究［J］.火炮发射与控制学报,2013,（4）:24-29.

［6］闵建平，谭俊杰，李剑峰.行进间射击时的动力学研究［J］.振动与冲击，2003，22（4）：88-92.

［7］闵建平，杨国来，王长武.行进间发射平顺性研究［J］.南京理工大学学报，2000，24（4）：326-329.

Dynamic Simulation Analysis of Rocket Launcher Launching on Move

FENG Pei1，ZHANG Long1，CUI Long-fei2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；
2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China）

Based on the multi-bodied dynamics software ADAMS and the finite element analysis software ABAQUS，the launching and driving integrated dynamics model of rocket system on all-terrain vehicle is built.The three-dimensional randomly earth-rock road model based on the power spectrum density function of the road and random number theory is created.Dynamic simulations for the launch on the move under different velocities on the same rank road conditions is completed.The dynamic response of the all-terrain vehicle and the launch device，and motion characteristics of the launch，the influencing law to the launching of the velocity and road condition factors are obtained.The research results show that rocket system could complete the mission on the move at low speeds.

mobile missile，dynamics，road spectrum，launch on the move，dynamic response

TJ393

A

1002-0640（2015）05-0112-04

2014-03-04

2014-05-19

丰 佩（1989- ），男，江苏新沂人，硕士研究生。研究方向：火箭武器结构动力学研究。