基于ADAMS的某型发射装置燃气解锁机构运动学仿真分析*

张 登,徐宏斌,张大治,李端松,韩 飞

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)



基于ADAMS的某型发射装置燃气解锁机构运动学仿真分析*

张 登,徐宏斌,张大治,李端松,韩 飞

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

为了研究基于某型发射装置设计的新型燃气解锁机构的解锁功能,文中基于虚拟样机软件ADAMS,建立了该燃气解锁机构的仿真模型,通过对该机构不同状态下的解锁工作过程进行运动学仿真分析,并研制出机构的原理样机进行了相关试验,确定机构解锁顺利,功能完整,验证了该机构的解锁运动原理及设计方案的可行性。

燃气解锁;ADAMS;运动学分析;试验验证

0 引言

国内现有直升机载发射装置中,常用的锁弹器解锁方式有机械解锁与电气解锁两种。机械解锁的锁弹器,其锁弹力与解锁力相同,一般解锁力值较大,发射瞬间对锁弹器和导弹的冲击较大。而电气解锁的锁弹器是通过电信号将其解锁,这需要锁弹器与导弹上的机电保险装置相互配合,且要考虑电磁兼容等问题,这种锁弹方式相对复杂[1]。

为了减小发射装置解锁机构对导弹发射离轨时的冲击影响,提高解锁机构的可靠性,文中提出了一种新型的燃气解锁机构,并利用ADAMS仿真平台进行运动学仿真分析,验证了该机构不仅能有效减小导弹发射时的冲击,还具有结构简单、稳定可靠的特点[2]。

1 工作原理

该燃气解锁机构(如图1所示)主要是利用导弹发射时的发动机燃气流形成解锁力,从而带动机构运动实现导弹的解锁。机构具有正常解锁和异常情况下的强制解锁两种工作状态[3]。

正常解锁:导弹发动机点火产生的燃气流作用于推力柄形成旋转力矩,使推力柄绕其转轴旋转,带动解锁连杆向右移动,此时解锁连杆与锁盘分离,锁盘在拉簧的作用下绕其转轴旋转,从而实现对导弹的解锁。同时,为防止直升机飞行时产生的气流造成机构误解锁,设计了压簧,其预压值远大于直升机飞行气流产生的力矩,确保机构的安全性。在正常解锁状态下,导弹发射时基本没有解锁力的冲击。

图1 解锁机构三维模型

强制解锁:该工作状态主要是为了在燃气解锁机构一旦失效的情况下也能将导弹解锁,发射离轨,从而确保直升机的安全,是一种冗余设计。当燃气解锁机构失效时,导弹在发动机推力作用下推动锁盘克服强制解锁压簧的预压力,使锁盘向前运动脱离解锁连杆的限制,并在拉簧的作用下绕锁盘转轴转动,从而解锁导弹,使导弹发射离轨。由于强制解锁是一种非正常状态的应急安全措施,在该状态下,导弹会受到一个较大的解锁冲击。

2 运动学模型

2.1 ADAMS中模型的建立

将三维模型导入ADAMS软件中,模型中对推力柄与解锁连杆间定义转动副,推力柄与后座、导弹与锁盘、解锁连杆与锁盘间定义接触,锁盘与基座、解锁连杆与后座定义移动副,基座与大地、后座与大地建立固定约束[4-5]。

2.2 ADAMS中载荷的加载

强制解锁压簧预应力T1的设定原则:

F0

式中:F0为燃气解锁压簧预压力最小值(N);F推力为发动机推力(N)。

拉簧预应力的设计考虑锁盘的运动特性,保证锁盘的运动优先滑块的运动。

燃气解锁压簧预应力的设定考虑在空气流推力、发射冲击下仍能可靠锁止等因素。

空气流对推力柄的吹风:

p=ρ·v2

(1)

P=p·s

(2)

式中:p是压强(Pa);ρ空气密度,取1.3 kg/m3;v为风速(m/s);P为大气施加给推力柄的力(N)。

冲击力:

F=m·a

(3)

F轴冲=m轴冲·a

(4)

F推冲=m推冲·a

(5)

式中a为发射装置受到的最大冲击加速度(m/s2);F轴冲为轴与锁头所受冲击力(N);F推冲为推力柄所受冲击力(N)。

保证扭矩平衡[6]:

(F0-F轴冲)·L1=P·L2+F推冲·L3

(6)

式中:F0为燃气解锁压簧预压力最小值(N);L1、L2、L3为推力柄上相应距离(m);如图2所示。

基于《发动机试验报告》可知导弹推力的变化曲线如图3所示,利用STEP(time,0.02,STEP(time,0,0,0.02,F1)0.05,F2)进行加载。基于《某型发动机尾流场计算报告》,对推力柄受力施加。

图2 推力柄

图3 发动机推力曲线图

3 发射过程运动学分析

仿真时设置导弹质量M=60 kg,正常解锁仿真时间设置为0.05 s,强制解锁0.3 s,仿真步均为5 000步,得到拉簧受力图、解锁连杆位移图。

图4为拉簧在0～0.02 s的受力变化,可知在0.002 s时,锁盘已完成初步旋转,在0.024 s时,导弹与解锁机构分离。

图4 拉簧受力图

图5中,线2表示拉簧受力曲线,线1表示弹体的位移。通过对比可知,在线2的拐点a处,锁盘受拉簧拉力作用已完成初始转动,运动示意图如图6所示,机构已经解锁,锁盘下表面与滑块接触而后随着导弹移动在线2拐点c约为0.024 s时解锁完全;由线1可知弹体在0.007 5 s时才有较明显的位移变化,在后续运动过程中,由于导弹滑块与锁盘的这种接触形式,理论上解锁过程是不受冲击的。

图5 弹体位移与拉簧受力对比图

图6 锁盘运动示意图

在图7中,线3为11 000 N下,弹簧运动距离;线4为4 000 N下,弹簧运动距离。其中起始点均为24.779 5 mm,在11 000 N下,弹簧在0.091 2 s达到最大距离-21.064 4 mm,强制解锁完毕。在4 000 N下,弹簧在0.209 4 s达到最大距离-21.280 6 mm,强制解锁完毕。强制解锁时保证机构非正常工作时的一种安全保护,对机构冲击也较大,一般情况下不会出现。

图7 强制解锁弹簧位移图

4 试验验证

为了验证ADAMS的仿真结果,进行了该燃气解锁机构的推力台试验、无控弹试验。

4.1 推力台试验

该试验主要是验证燃气解锁机构在燃气推力作用下能否顺利解锁,试验布局如图8所示。

图8 燃气解锁推力台试验布局

试验结果表明机构在发动机燃气流作用下能顺利解锁,如图9所示。

图9 燃气解锁试验结果图

4.2 无控飞行试验

为了进一步验证燃气解锁机构在导弹发射状态下的正常解锁与强制解锁功能,基于某型四联装发射装置燃气解锁机构进行了无控飞行试验。

试验在试验台架上进行了机构正常解锁功能验证和强制解锁功能验证,如图10所示。

图10 燃气解锁无控弹试验图

图10中,左侧是正常解锁试验,右侧是强制解锁试验。强制解锁试验时,需将推力柄设置在不受发动机燃气流作用的位置,如图11所示。

图11 强制解锁操作示意图

试验结果表明,在发动机的常温状态下,发现燃气解锁机构均能顺利进行正常解锁、强制解锁,机构功能完整,结构可行。

5 结论

运用ADAMS软件对燃气解锁机构进行建模与仿真,分析机构解锁与导弹分离的运动情况,证明机构具有以下优点:燃气解锁区别于以往不同的解锁方式,对发射装置的冲击较小,同时又有机构异常工作情况下的强制解锁方式,保证机构的解锁功能,具有稳定可靠的特点。

通过后续推力台试验、简装药无控弹试验的验证得到,该燃气解锁机构在发动机尾流场作用下能够顺利进行正常解锁与强制解锁,证明解锁机构设计方案实际可行。

[1] 曹燎原, 董志航, 谢军虎, 等. 发射装置锁制器开锁力力值稳定性分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(3): 181-184.

[2] 王勇, 汤军社, 杜小渊, 等. 弹射架的ADAMS和ANSYS联合仿真 [J]. 机械制造, 2014, 52(11): 5-9.

[3] 付波. 越障式多功能重载拆装机械设计及分析 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013.

[4] 郑建荣. ADAMS虚拟样机技术入门与提高 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2001: 48-53.

[5] 孙缘. 基于ADAMS和ANSYS的起落架落震仿真与强度优化设计 [D]. 南京: 南京航空航天大学, 2012.

[6] 蒋伟. 机械动力学分析 [M]. 北京: 中国传媒大学出版社, 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

张登(1991-),男,湖南类底人,硕士研究生,研究方向:机械设计与分析。

TJ768.2

A

*2015-12-31