基于ADAMS对某导弹适配器的动力学仿真*

陈大雄 瞿 军

(海军航空工程学院 烟台 264001)



基于ADAMS对某导弹适配器的动力学仿真*

陈大雄 瞿 军

(海军航空工程学院 烟台 264001)

适配器的运动过程分为适配器随弹在发射箱内的运动过程以及导弹出箱适配器与弹的抛离过程,论文主要阐述运用ADAMS对导弹发射过程中导弹适配器的受力和运动过程仿真,采用合理的刚柔耦合模型,把适配器作为柔体处理,并利用相应的流体力学软件求出适配器出筒后受到的阻力,并求出临界分离力,利用ADAMS编辑脚本文件,控制分离过程。仿真结果表明,该模型对导弹适配器运动和受力分析的方法是可行的。

ADAMS; 适配器; 受力分析; 运动过程; 刚柔模型

Class Number YJ765.4

1 引言

目前越来越多的战术导弹开始采用箱式发射技术,贮运发射箱主要的作用是贮存、运输和发射导弹。贮存发射箱的截面结构主要有圆形和矩形,但目前主要是圆形截面最多,矩形截面次之。在导弹和发射箱之间有称为适配器的弹性衬垫[1],可以用来完成导弹在贮存、运输和发射过程对导弹的支撑、减震、导向以及控制初始扰动的作用。本文主要采用ADAMS软件[2]对圆形截面结构的发射箱适配器在发射过程中的受力和运动过程进行仿真。通过虚拟技术进行动力学仿真实验可以对适配器在导弹发射过程的受力和运动过程模型的正确性和可行性进行验证。

2 适配器在导弹发射过程中运动几何模型的建立[3]

导弹发射系统是一个非常复杂的机械系统,本文仅对某个类型的发射箱及导弹之间的相互作用进行研究,采用一般的模型进行研究,根据结构特点,可以把它分为五个部分:三个部位的适配器、发射箱、导弹。三维造型软件SolidWorks中简化各组单元的柔、刚几何模型,为虚拟样机的建立奠定基础。采用ADADMS软件作为虚拟样机系统以及仿真分析的软件,将SolidWorks建立好的模型导入ADAMS,建立有效的动力学仿真模型,必须添加合适的约束副来连接各模块,而适配器采用柔体模型。

建立该模型时做如下假设:

1) 导弹从发射开始到发射出筒之间的时间极短,忽略导弹质量和质心变化对导弹发射扰动的影响。

2) 发射过程中,忽略发射平台、发射架等运动对发射的影响,认为发射时发射筒是固定不动的。

3) 适配器在未出筒之前,在弹簧作用下始终是接触的,在接触过程中用径向弹簧、碰撞力以及移动副来代替适配器导弹箱体之间的相互作用,不计发射过程中燃气对适配器的影响。

2.1 各种约束的添加

1) 适配器与发射箱

三个部位的适配器为柔体,形状简化为简单的圆环结构,而发射箱为刚体,而适配器与发射箱采用接触约束中的“Flex Body to Solid”,通过测量该约束三个坐标方向的受力,就可以把适配器受到箱的作用力求出来。

在ADAMS有两种定义碰撞力的方法:一种是补偿法,另一种是冲击函数。由于前者参数难以选取,所以多选用后者来计算碰撞力,而冲击函数法根据impact函数来计算两构建之间的碰撞力。Impact函数的一般表达式为

(1)

式中:q0为两个要碰撞物体的初始距离;q为两物体碰撞过程中的实际距离;dq/dt为两个物体距离随时间的变化;k为刚度系数;e为碰撞指数;cmax为最大阻尼系数;d为切入深度,决定阻尼力达到最大;防止碰撞过程产生的阻尼力的不联系,采用step函数,形式为step(x,x0,h0,x1,h1),按式(2)进行计算。

(2)

式中:a=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)。

2) 适配器与导弹的约束[4～5]

适配器包括适配器本体、分离弹簧、导向环、弹簧锁销、解锁绳,分离垫片等。适配器中的解锁绳和弹簧锁销是为装填和固定分离弹簧。当适配器被箱体滑轨限制在导弹弹体表面上时,去掉了解锁绳和弹簧锁销,否则发射时会阻碍适配器的分离。在本模型中,导弹和适配器的连接采用导弹径向的移动副,即使得适配器沿导弹径向相对移动,并用弹簧进行连接。连接如图1所示。

图1 适配器与导弹的连接

3) 箱体与地面

由于本文采用的模型,所以箱体和地面采用固定副约束。

2.2 适配器在导弹发射过程中运动虚拟样机的载荷加载

1) 作用在导弹上的推力[9～10]

导弹发动机的推力使导弹产生加速度,也引起了适配器、箱和导弹之间相互作用。根据导弹发动机技术方案要求,设发动机推力为500KN,工作时间为t=0.25s,到达稳定推力Fb的时间tb=0.01s,导弹在箱内的运动时间为0.21s,将其加载到导弹尾部,推力函数表达式为:

Function:

AKISPL( time-0.01 , 0 , SPLINE_1, 0)

其中SPLINE_1曲线为发动机样条曲线,是由两组数据导入ADAMS后自动生成,注意在“Independent Column Index”中输入1。

2) 适配器受到的分离力[6～8]

图2 适配器与导弹分离过程的受力

对适配器分离过程中的受力进行分析,作用于适配器质心力有三个,分离弹簧的弹力N,气动合力F和重力G。使适配器产生转动的力矩有两个:分离弹簧的弹力对适配器质心的力矩MN,气流的气动力的合力矩MF。如图2所示。

适配器受到的气动力以及气动力矩:

(3)

式中,Cx为阻力系数;Cy为升力系数;Cz为侧力系数;mx为滚转力矩系数;my为偏航力矩系数;mz为俯仰力矩系数;ρ为空气密度;S为特征面积;L为计算特征长度。

弹簧弹力和气动力以及其产生的力矩作用于适配器,除重力外,在适配器气动坐标下方程为:

(4)

式中FX,FY,FZ为除重力外适配器所受的外力在三个气动方向的分力,Nx,Ny,Nz为弹簧弹力在三个气动方向的分力,Mx,My,Mz为三个方向的力矩。由于在计算过程中,设气动参数变化不大,根据气体动力学软件FLUENT得到气动参数,得到的适配器出筒后的气动力。

2.3 适配器在导弹发射过程中运动虚拟样机的仿真过程

在仿真过程中涉及到适配器、导弹和箱体的相互作用,各种各样的约束力。在弹和适配器在箱内运动时候,适配器和箱体采用接触副约束,受到的力属于碰撞力。在适配器与导弹之间采用移动副约束,并在它们之间加上弹簧。当适配器出箱口后,移动副失效,接触副失效。在此模型中,适配器和弹之间选用移动副和弹簧进行约束,即适配器与弹沿着弹得径向相对运动,移动副实效,作用的弹簧力稍后失效,简化了适配器在气动力、弹簧力和重力等共同作用抛离的过程,通过计算出适配器在分离过程中气动力,忽略在分离前的相对运动,把这个力作为临界力,同时通过相应的计算把适配器出箱后受到力合加载到弹和适配器上。用ADAMS仿真实现整个过程是通过编辑脚本文件,通过相应的控制程序,运行脚本文件,实现相应的仿真过程。其中一部分脚本文如下:

! Insert ACF commands here:

SIMULATE/STATIC

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

DEACTIVATE/JOINT, ID=5,6,7,8

DEACTIVATE/SENSOR, ID=3

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

DEACTIVATE/SENSOR, ID=4

DEACTIVATE/SFORCE, ID=6,7,8,9

SIMULATE/TRANSIENT,END=0.25, STEPS=250

上述过程通过建立传感器SENSOR以实现各约束的失效,主要为了确定适配器出筒,适配器分离时刻。

3 实例仿真结果与分析

由于实例采用的是任意相似模型,具有通用性。此例发射状态为水平状态,弹簧产生的分离力对适配器质心的力矩是对称的可以不计,相对于弹簧弹力和重力产生的气动力可以忽略不计,即作用在适配器上的作用力主要为弹簧弹力和适配器重力,不考虑闭锁力以及弹翼展开过程,且推力不偏心。

本模型中取碰撞指数e=1.9;刚度系数k=20KN/mm,最大阻尼系数cmax=10N·s/mm,切入深度为取值为0.2mm。弹簧的刚度kτ=22KN/mm,cτ=100N·s/mm。

其中图3～图5描述了适配器在导弹发射时的运动过程,图6和图7描述了适配器运动过程中的受力。表1,表2分别表示适配器与导弹分离时的速度和时间、分离时的弹簧力。图中第1,2,3组适配器代表前中后适配器,位置1,2,3,4依次代表沿导弹轴线顺时针方向左下方位置开始对应该位置的适配器。

图3 适配器轴方向位移和速度时间历程

图4 适配器垂直方向加速度时间历程

图5 适配器x方向角速度时间历程

图6 适配器y方向碰撞力时间历程

图7 弹簧力变化的时间历程

前中后分离时间0．132s0．167s0．214s分离速度38．865m/sec50．675m/sec68．204m/sec

表2 各个适配器分离时受到的弹簧弹力

可以得到以下结论:

1) 导弹的发射过程中,适配器随弹体运动与箱体发生碰撞。在分离过程中,适配器与弹一起运动,先分离的适配器可能获得速度小,后面的适配器获得的速度大,分离的时间是非常短暂的,取决于分离力的大小。分离力的大小与方向对适配器的运动方向影响大,然而对于弹的运动姿态影响较小,而且越小越好。而且适配器分离后与弹轴方向距离波动较小。

2) 导弹在发射过程中,适配器和箱体的碰撞,在推力不偏心的情况下发生的碰撞是小幅度的。在适配器前部到后部依次出箱口的过程中碰撞力明显增大,出筒后出现峰值,而且产生的碰撞力后适配器受力最大,碰撞最激烈,大约是前适配器受到碰撞力的五倍。

3) 前适配器出箱口后,弹的质心仍在箱内,其随弹转动不是很明显。而中适配器以及后适配器发生明显的转动,即因为质心已经出箱口,适配器随弹体有下沉量,这也造成后适配器出箱后弹箱碰撞明显。

4 结语

本模型采用刚柔耦合,利用碰撞约束以及分离力控制分析编辑脚本文件,采用该模型,利用ADAMS软件进行该问题仿真非常符合实际运用,为研究该类问题时提供了有效的仿真方法。

[1] 赵华,王敏杰,杨为,等.箱式发射导弹适配器[J].战术导弹技术,2007(4):42-50.

[2] 李军,邢俊文,谭文浩.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[3] 姚昌仁,张海波.火箭导弹发射装设计[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

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[6] 马天信.适配器用硬质聚氨脂泡沫材料的研究[J].制造技术研究,2011(4):20-24.

[7] 尚书聪,孙建中.两种弹筒适配器对弹出筒姿态的影响[J].弹道学报,2012,24(2):96-100.

[8] 张强,吴明晨.某型发射装置水平减震系统仿真研究[J].舰船电子工程学报,2012,212(2):73-75.

[9] 张中利,于存贵,等.火箭弹在定向管内碰撞运动的仿真研究[J].系统仿真学报,2007,19(4):875-877.

[10] 曹广群,张艳华,刘树华.基于ADAMS的多管火箭炮动力学仿真分析[J].兵工自动化,2009,28(2):32-35.

Simulation Analysis for Dynamics of the Missile Adapter Based on ADAMS

CHEN Daxiong QU Jun

(Naval Aeronautical Engineering Institue, Yantai 264001)

The movement process of adapter can be divided into the movement inside storage and transport launch tank and the separating action of the missile and its adapters. In this paper, the movement and dynamic analysis of adapter will be simulated while missile is launching by using ADAMS software. It will adopt reasonable rigid-flexible coupled model, and process as adapter, and the resistance of the adapter while the adapter is out of the tank will be sloved by using Fluid software, solving critical separation force, controlling the process of separation by editing script files. According to the simulating analytical conclusion, it testifies that the rigid-flexible coupled model is feasible for the movement and dynamic analysis of adapter.

ADMS, adapter, mechanical analysis, the process of movement, rigid-flexible coupled model

2014年9月5日,

2014年10月19日

陈大雄,男,硕士研究生,研究方向:发射工程与集成技术。瞿军,男,硕士生导师,研究方向:发射工程与集成技术。

YJ765.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.022