基于ADAMS和ANSYS的箭伞系统刚柔耦合仿真分析*

李 达，张登成，张久星，朱和铨，李靖涛

（空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038）

基于ADAMS和ANSYS的箭伞系统刚柔耦合仿真分析*

李 达，张登成，张久星，朱和铨，李靖涛

（空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038）

为了更加准确模拟空中发射过程和提高其安全性，搭建了空中发射技术的联合仿真系统。首先在Solidworks中建立了运载火箭、载机、阻力伞以及伞绳的实体模型；然后将其导入有限元分析软件ANSYS中，对其进行有限元分析，得到模态中性模型；最后将柔性体代替刚性杆，利用ADAMS进行动力学仿真，实现了基于ADAMS与ANSYS的空投火箭联合仿真。仿真结果表明柔性体对空中发射运动精度和安全性的影响不容忽视。

箭伞系统，ADAMS，ANSYS，仿真分析

引言

随着计算机硬件与软件的飞速发展，柔性体仿真已逐步成为仿真领域的一个热点和难点。在航空航天、机械等领域，柔性体对整个机械系统受力与运动的影响已愈显突出。在空中发射技术的研究中［1］，对火箭与稳定伞系统的分析就不可忽略柔性绳的影响。如果在进行运动学分析时不考虑柔性绳的影响，则产生的误差会在进行动力学分析时影响到每个构件结构的受力与运动。经多次迭代累加，误差就不可忽视。故采用ANSYS与ADAMS软件的联合仿真，不但利用了ADAMS软件在实现多体系统的动力学和运动学仿真中的便利，又借助ANSYS软件考虑了柔性体对系统的影响。

本文以空中发射运载火箭过程中，火箭与载机分离后，箭伞系统的运动分析为例，通过ANSYS与ADAMS的联合仿真，建立箭伞系统的柔性绳模型，并对其进行仿真与对比分析，为下一步的空投实验提供了宝贵的理论分析。

1 联合仿真理论基础

空投系统是一个复杂的多体刚柔耦合系统，要对系统中柔性体进行精确仿真是比较困难的。ADAMS虽然是目前最具权威的机械系统动力学仿真分析软件，但分析的对象主要是多刚体。为此，单纯使用ADAMS软件难以精确模拟空投系统运动。

机械动力学分析软件ADAMS是世界上使用范围最广泛、分析结果最精确的机械系统动力学分析软件。在其进行仿真分析时，可以得到载荷文件，并提供了载荷谱、位移谱等相关重要信息。ANSYS软件可以将载荷文件中的信息作为边界条件，进行应力、应变的分析。在精确仿真结果基础上得到的应力和应变结果会更加精确，提高计算精度。此外，利用ANSYS进行有限元分析时，可得到模态中性文件。ADAMS可利用模态中性文件生成所需要的柔性体，建立刚柔耦合系统模型。由于考虑了弹性特征，仿真精度大大提高。两者联合仿真原理如图1所示。

图1 联合仿真原理流程图

2 箭伞系统刚柔耦合模型的建立

2.1 刚体模型的建立

三维实体模型的建立选择采用三维实体造型软件Solidworks。根据载机的几何数据，逐一建立机身、机翼、垂尾、发动机等各零部件的三维实体模型，并装配完成载机的三维实体模型，如图2所示。另外也建立了火箭和阻力伞的实体模型。

图2 载机三维实体模型

将软件Solidworks中建立的三维模型导入到ADAMS中。首先，将Solidworks中的文件保存为Parasolid格式，然后在ADAMS中从File菜单选择Import命令，选择输入文件的格式为Parasolid，则可使模型顺利导入ADAMS中。在ADAMS中，需要编辑每个物体的质量、密度、转动惯量、质心位置等属性，使得虚拟模型具有与实际物体相似的物理特性，从而更好地模拟仿真，另外，还需要定义模型的约束、载荷以及驱动，如图3所示［2］。

图3 刚体模型图

2.2 柔性体模型的建立

将三维实体建模软件Solidworks建立的三维模型导入到ANSYS中，方法与导入ADAMS的类似，通过格式Parasolid的文件生成实体模型。

单元类型的选取是十分重要的环节，因为它在很大程度上影响分析的速度和精度［3］。对于柔性绳这样的实体模型，选用可以很好地适应各种复杂的边界条件、且具有较高的求解精度的四面体10节点单元SOLID187。定义柔性绳材料弹性模量为2E11Pa，泊松比为0.3，密度为7 500 kg/m3。

采用智能网格划分的方法对其进行网格划分，得到该柔性绳共有180 873节点，108 944个单元。

刚性区域在ADAMS中作为和外界连接的不变形区域，是必不可少的。刚性区域是连接节点与刚柔接触的面上所有节点的集合，连接节点为主节点，刚柔接触面上的所有节点为从节点。连接点的数目必须大于或等于2，故刚性区域至少为2个。本例给柔性绳添加2个外部节点及其刚性区域，如图4所示。

图4 柔性绳的刚性区域

在建立了柔性体部件的有限元模型之后，需要利用宏文件生成ADAMS软件所需要的柔性体模态中性文件。模态中性文件中包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、频率、振型以及对载荷的参与因子等信息。

2.3ANSYS与ADAMS的双向数据传输

利用ANSYS与ADAMS接口，对运动系统中的柔性体部件进行应力应变分析的完整步骤如下：

在ANSYS软件中建立柔性体部件的有限元模型并利用adams.mac宏文件生成ADAMS软件所需要的柔性体模态中性文件（*.mnf）；在ADAMS软件中建立好刚性体的模型，读入模态中性文件，指定好部件之间的连结方式，施加必要的载荷进行系统动力学仿真，在分析完成后输出ANSYS所需要的载荷文件（*.lod文件），此文件包含了对应于运动过程中不同时刻点柔性体的运动状态和所承受的载荷等信息（例如力，力矩，加速度，角速度及角加速度）。

在ANSYS程序中进行应力应变分析进入ANSYS程序，恢复在上一步中所建立的柔性体模型，选择所有节点，从载荷文件中找到相应时刻的载荷并输入ANSYS，对柔性体进行应力应变分析。在分析完成后即可得到柔性体的应力应变分布和相关的结果数据［4］。总系统仿真流程如图5所示。

图5 仿真系统流程图

3 箭伞系统模型仿真与分析

经过上述联合分析后，在ADAMS下对此机构进行动力学仿真［5］。当柔性绳替代刚性体直杆后，测量结果显示火箭、伞绳和伞三者可以完成发射任务，但出现了一些用刚性杆无法仿真的现象。

将刚柔两种不同方式连接所得的仿真结果进行对比分析。由图6、图7可知，用柔性绳替换刚性杆后，伞和伞绳在一直震荡变化；由图7可知火箭在10 s时，伞绳与伞出现了大的震荡，伞绳上受到拉力的同时又受到一个瞬时的力矩，此刻最容易发生危险。故火箭应在此时刻之前进行点火抛伞运动，避免伞及伞绳降低火箭的稳定性。

由图8可得出，由柔性绳连接的箭伞系统出舱时间长、火箭的最大俯仰角大，则说明稳定伞作用到火箭上的力小，柔性绳的摆动消耗部分能量。图9为火箭俯仰角速度的绝对值，可知系统在3 s～4 s时，火箭角速度出现了波动，这是由于设置火箭与飞机内舱壁的约束为接触力，不仅有摩擦力还有弹性力。在10.5 s时，火箭的俯仰角速度变为0，此时的俯仰角为91°，按照传统思维可以点火抛伞，但由于10 s时伞绳出现大的震荡，故此刻不能成为点火时刻。仿真结果表明：伞绳的摆动消耗部分能量，且会影响到发射的安全性，点火时刻应在伞绳出现大的震荡之前。

图6 伞绳中心点沿X轴速度变化曲线

图7 稳定伞总速度的变化曲线

图9 火箭俯仰角速度的变化

4 结 论

本文采用ANSYS与ADAMS柔性体联合仿真的方法对空中发射系统中的箭伞系统进行了运动仿真。在Solidworks中建立了三维实体模型，在ANSYS中进行了有限元分析且生成了模态中性文件，在ADAMS中进行了动力学仿真分析。运用联合仿真的方法可以方便的进行运动仿真，结合了两个软件的优势并大大提高了分析效率。此外，本例的分析也为进一步进行系统仿真与实体试验奠定了良好的基础，为空中发射技术的研究提供了一种新的思路。

［1］Marti S K，Nesrin S K.Trade Studies for Air Launching a Small Launch Vehicle from a Cargo Aircraft［C］//AIAA 2005-621.

［2］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，2008.

［3］张永德，汪洋涛，王沫楠，等.基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真［J］.系统仿真学报，2008，20（17）: 4501-4504.

［4］彭礼辉，李 光，阳贵明，等.基于ADAMS和ANSYS的刚柔耦合模型分析［J］.湖南工程学院学报，2011，21（3）: 22-24.

［5］张登成，闫 杰，张久星.内装式空射运载火箭与载机的分离研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29（5）:158-161.

［6］贾长治，王兴贵，解 璞.虚拟样机在装备性能仿真和评估中的应用［J］.火力与指挥控制，2002，27（4）：69-72.

［7］贾长治，王兴贵，李金明，等.虚拟样机在火炮研制及评估中的应用研究［J］.火力与指挥控制，2002，27（3）：74-77.

Research on Coordinated Simulation of Air-launchen Launch Vehicle Basde on Matlab and ADAMS

LI Da，ZHANG Deng-cheng，ZHANG Jiu-xing，ZHU He-quan，LI Jing-tao
（Astronautics and Aeronautics Engineering College，Air Force Engineering University，Xi'an 710038，China）

To simulate the process of air-launched launch vehicle effectively and improve its security，a coordinated simulation system is built.First，a three-dimensional model of the launch vehicle，cargoplane，rope and parachute is built in Solidworks software;and then，the model is imported into the ANSYS software for finite element analysis;At last，imports flexible rope into ADAMS software by MNF for dynamic and kinematic simulation，and coordinated simulation is successfully implemented. The simulation results indicate that the influence of flexible body on kinematic accuracy and security can not be ignored.

rocket-parachute system，ADAMS，ANSYS，simulation and analysis

TJ630

A

1002-0640（2014）09-0028-03

2013-06-05

2013-09-06

国家自然科学基金资助项目（51201182）

李 达（1990- ），男，山西长治人，硕士研究生。研究方向：飞行力学和飞行仿真。