机载导弹弹簧蓄能冷弹动力学仿真研究

李海军，王殿宇

（海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台 264001）

0 引 言

机载导弹的发射方式主要有投放式、导轨式、弹射式3种.由于具备可安装位置多，导弹与载机之间相互气流影响较小等优点，弹射式发射被广泛使用.弹射装置根据弹射的驱动能源又可分为热弹射和冷弹射两种.目前我国机载导弹大部分采用燃气式弹射装置，是典型的热弹射装置.它由抛放弹作为弹射装置的驱动能源，具有体积小、能量大、结构较简单、重复悬挂精度高等特点，而且技术上比较成熟.但是热弹射同时也存在很多缺点：污染环境，产生气体高温高压易烧蚀机件；每次发射后需对挂钩等部件清洗擦拭；日常维护危险性高.另一种被广泛采用的是以高压气瓶作为驱动能源的弹射装置.这种装置的缺点是高压气瓶体积大、质量大，充放气时间长，不能满足部队快速反应要求.针对以上两种弹射装置的弊端，本文提出一种以压缩弹簧来蓄能的新型弹射方案.

1 弹射装置原理

此方案通过控制作动筒压缩弹簧杆外部缠绕的弹簧，直到达到预定压缩量为止；在套筒内设计棘齿锁紧机构锁住弹簧，压缩过程中阻止其回弹；推拉电磁铁在弹射前吸紧，以阻止弹射杆向下运动；弹射时，挂钩打开，同时推拉电磁铁回缩，弹射杆在压缩弹簧的作用下弹射，撞击负载块，从而完成弹射过程，其示意图如图1所示.

图1 弹簧蓄能弹射原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of energy storage spring ejection

2 仿真方案

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System），中文全称为机械系统动力学自动分析，由于其建模精度高，速度快，可靠性强，在世界市场上占据了相当大的份额.在构造某一物体的运动学模型时，使用ADAMS就能使问题简化：只要使模型的各个部件之间相对大小位置正确就行，而不需要苛求所构造模型与原物在细节上保持高度一致.所以ADAMS在不影响仿真结果的前提下，又可以很大程度上节约建模的时间.但是正因为ADAMS的简单易操作的特点，在构建复杂模型的情况下就相对比较困难.

Solidworks是一款功能强大，易学易用，操所简便的三维CAD软件，并且其采用了与ADAMS相同的Parasolid核心进行建模.利用Solidworks所建立的三维装配体模型可保存为ADAMS可识别的格式，方便快捷地导入ADAMS中，其装配体整体以及各零部件的质量和属性都不会发生变化.导入之后只要在ADAMS中设计边界条件和各零部件之间的约束以及力和力矩，就可以进行下一步的运动学仿真分析

3 ADAMS模型的建立

首先，在Solidworks中建立弹射装置的三维装配体模型，并保存为ADAMS能识别的扩展名为x＿t的PARASOLID文件，再将其import进入ADAMS／VIEW中.

然后依据弹射装置的原理，对各构件添加约束：挂架与地面的固定约束；两个套筒分别于挂架的固定约束；两个套筒分别于推杆的圆柱副.施加推杆与悬挂物的接触力、推杆与套筒的弹簧力.由于推拉电磁铁的功能与弹射结果无直接关系，为了简化模型，在弹簧两端预加压缩力，在弹射开始的0时刻通过函数控制撤掉弹簧底部预加力来实现弹射，完成的动力学系统仿真模型如图2所示，弹射分离演示如图3所示.

图2 ADAMS平台下弹射装置仿真模型示意图Fig.2 Ejection device simulation model under ADAMS platform

图3 仿真中悬挂物分离示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation in suspension separation

4 弹簧的选取

参照目前大部分机载导弹弹射发射装置，分离时要求弹射行程终点速度在3m／s～5m／s之间，以保证导弹与载机安全分离.质量小于160kg的导弹通常采用导轨式发射，质量为160kg～360kg的导弹，既可采用导轨式发射装置，也可采用弹射式发射装置.而质量大于360kg的导弹，通常采用弹射式发射装置.故在本仿真中分别采用400kg，500kg，600kg，700kg 4种质量的悬挂物.要达到预期的分离速度，选取合适的弹簧是仿真顺利进行的关键.

由动能定理可得

式中：m为悬挂物质量；v为弹射行程终点悬挂物速度；k为弹簧刚度系数；x为弹簧压缩量；W 为其余作用力做功，包括弹簧阻尼损耗及气动力做功.

在不考虑W 的情况下，代入式（1）得不等式

参考类似弹射发射装置的结构尺寸，将弹簧杆长度定为300mm，压缩量暂定为150mm.由式（1）可知，若要达到预期初始速度，悬挂物质量越大，则所需能量就越大，所以先考虑700kg的悬挂物分离速度能达到3m／s的情况.将m，x，v代入式（2），计算得

又知弹簧刚度系数公式

式中：G为弹簧材料切变模量；n为弹簧有效圈数；C为旋绕比，即弹簧直径D与线粗d比值.不妨选取高强度、耐热耐腐蚀的60Si2Mn硅锰弹簧钢作为材料，经450℃回火处理后其切变模量可达到83 160MPa.查阅机械手册可知长度为300mm的弹簧通常圈数n0为16圈 ，有效圈数n可取14，旋绕比5＜C＜20.为了控制弹簧体积，将弹簧直径D定为60mm，旋绕比C取6，则弹簧线粗d＝10mm，代入式（4）可得k≈344N／mm，满足不等式（3）要求.

此时可压缩量x≤L－d×n0＝140mm，为留有余地，取压缩量x＝120mm.

则此时所需预加压缩力F＝kx＝41 280N.

图4 弹簧截面受力分析Fig.4 Force analysis of the spring section

式中：WT为弹簧扭转截面系数.

查阅资料可知，硅锰合金弹簧丝受变载荷作用次数在1 000～100 000时，许用切应力［τ］为628Mpa，即τ＜［τ］，故此弹簧在受到所设预加载荷时，所受剪切应力在可承受范围内.

将已知数据代入式（1）可求出不考虑W 时v≈4.06m／s，满足分离速度要求.

5 仿真结果分析

如图5所示，在ADAMS的弹簧设定界面中将弹簧刚度系数设为344N／mm，阻尼系数一般取0.5，预加载荷设为41 280N，悬挂物重量设为700kg，将仿真时间设定为0.2s，得到弹射速度曲线如图6所示，加速度曲线如图7所示.从图中可以看出，在弹射过程中，由于两弹簧杆及重力作用，悬挂物速度逐渐增大，加速度逐渐减小，到弹射行程终点回到重力加速度.又因为气动阻力做功和弹簧阻尼损耗，弹射行程终点处悬挂物速度只达到了－3.7m／s（负号表示方向向下），但已满足分离要求.

再将悬挂物质量分别设定为400kg，500kg，600kg，得到各质量下悬挂物分离速度曲线，并将其叠加在同一曲线图上，如图8所示.可以看出当悬挂物质量最小为400kg时，弹射终点速度可达－4.60m／s，满足分离要求.所以，在使用所选弹簧及弹射行程的方案下，4种质量的悬挂物均可以达到分离速度要求.

图6 0.2 s内弹射速度曲线Fig.6 The ejection velocity in 0.2s

图7 0.2 s内弹射加速度曲线Fig.7 Ejection acceleration in 0.2s

图8 各质量悬挂物分离速度曲线图Fig.8 All the weight of the suspension curve separation speed

6 结 论

本文初步设计了一种新型弹簧蓄能弹射装置，采用SolidWorks构建其物理模型、采用ADAMS对其进行仿真分析，可以方便快捷地确定弹簧参数对弹射性能的影响，最终得到结论：在选用规格为10mm×60mm×300mm的弹簧，并将压缩量定为120mm的条件下，弹簧可以承受预加载荷，且重量为400kg，500kg，600kg，700kg的4种悬挂物均可以达到目前现役挂架的弹射速度标准3m／s～5m／s.

将仿真分析的应用引入机载武器领域进行研究，在制作物理样机之前就能得到所需设计参数以及弹射分离响应，减少了重复设计与试验的次数，节约了研究成本，为后续的试验工作提供了重要的理论参考.

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