李建剛，馬玉芹

(慶安集團(tuán)有限公司，西安 710077)

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】

基于ADAMS的導(dǎo)軌式導(dǎo)彈發(fā)射裝置發(fā)射姿態(tài)研究

李建剛，馬玉芹

(慶安集團(tuán)有限公司，西安 710077)

采用虛擬樣機(jī)方法，建立了導(dǎo)彈發(fā)射裝置導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)脫離軌道姿態(tài)的多體動(dòng)力學(xué)模型，通過導(dǎo)彈3個(gè)滑塊的位移變化趨勢和導(dǎo)彈俯仰角的變化，分析了導(dǎo)彈在發(fā)射過程中的姿態(tài)變化趨勢和對導(dǎo)彈發(fā)射姿態(tài)影響的導(dǎo)引面參數(shù)，為導(dǎo)彈發(fā)射裝置導(dǎo)軌導(dǎo)引面的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

導(dǎo)彈發(fā)射裝置；動(dòng)力學(xué)；導(dǎo)彈姿態(tài)；虛擬樣機(jī)方法

導(dǎo)彈發(fā)射裝置是導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)中的重要部分，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中時(shí)間非常短,但是它的運(yùn)動(dòng)和受力情況極其復(fù)雜。以往的研究方法都是先提出一種方案，制造出物理樣機(jī)，然后通過多次破壞性的物理試驗(yàn)來確定導(dǎo)彈發(fā)射裝置和導(dǎo)彈的一些性能參數(shù)，顯然這種方法所付出的代價(jià)很高，而且最后得出的系統(tǒng)性能參數(shù)不一定最優(yōu)。如果采用虛擬樣機(jī)技術(shù)[1]先對這個(gè)過程進(jìn)行仿真,用計(jì)算機(jī)通過參數(shù)優(yōu)化得出一組合理的設(shè)計(jì)參數(shù)值,然后再根據(jù)這組合理的參數(shù)值制造物理樣機(jī)做物理試驗(yàn),可以節(jié)省時(shí)間,降低成本,加速導(dǎo)彈的研制進(jìn)程。

在2005年已經(jīng)提出了在導(dǎo)彈發(fā)射中采用ADAMS(Automatic Dynamic of Mechanical Systems)對其進(jìn)行仿真[2]，其后很多研究領(lǐng)域?qū)?dǎo)彈的發(fā)射采用虛擬樣機(jī)方法研究[3-7]。本文在不考慮風(fēng)載與慣性力的情況下飛機(jī)姿態(tài)處于水平姿態(tài)時(shí)，采用虛擬樣機(jī)方法分析了某導(dǎo)彈發(fā)射過程中的姿態(tài)和導(dǎo)軌式通用導(dǎo)彈發(fā)射裝置的參數(shù)對導(dǎo)彈發(fā)射姿態(tài)的影響。

1 ADAMS仿真模型

將三維模型導(dǎo)入MSC.ADAMS軟件中，得到導(dǎo)彈發(fā)射裝置虛擬樣機(jī)模型[8]，如圖1所示。模型中包括導(dǎo)彈發(fā)射裝置導(dǎo)軌、導(dǎo)彈、滑塊(前、中、后)、功能部件，對功能部件中添加各運(yùn)動(dòng)保證其正常工作性能。導(dǎo)彈與滑塊固定，滑塊與導(dǎo)彈導(dǎo)軌為接觸關(guān)系。

各部件材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，導(dǎo)彈的質(zhì)量、質(zhì)心位置及其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按實(shí)際參數(shù)值給定，在導(dǎo)彈尾部施加發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)際值。

圖1 導(dǎo)彈發(fā)射裝置虛擬樣機(jī)模型

2 導(dǎo)彈發(fā)射姿態(tài)分析

圖2是導(dǎo)彈在滑行過程中，3個(gè)滑塊上表面豎直方向的位移曲線。由設(shè)計(jì)室提供的模型可知，前滑塊與后滑塊在同一水平面內(nèi)，而中滑塊的位置稍高。導(dǎo)彈在航向移動(dòng)過程中有以下幾個(gè)階段：

1) 開鎖階段，載荷持續(xù)施加0.07 s時(shí)，導(dǎo)彈克服開鎖力準(zhǔn)備發(fā)射，此時(shí)導(dǎo)彈的3個(gè)滑塊位置基本不變；

2) 導(dǎo)彈在發(fā)射初期，3個(gè)滑塊沿著軌道滑行，前滑塊和后滑塊在同一豎直高度，說明導(dǎo)彈沒有發(fā)生俯仰；

3) 當(dāng)導(dǎo)彈推力持續(xù)0.120 6 s時(shí)，前滑塊滑出其軌道，由于導(dǎo)彈中心在前滑塊與后滑塊之間，因此導(dǎo)致導(dǎo)彈的后滑塊的豎直位置比前滑塊稍高，說明此時(shí)導(dǎo)彈的姿態(tài)發(fā)生俯視；

4) 當(dāng)導(dǎo)彈推力持續(xù)施加0.172 s時(shí)，導(dǎo)彈后滑塊與其導(dǎo)引面發(fā)生碰撞，導(dǎo)致導(dǎo)彈俯仰角發(fā)生變化。在這個(gè)階段，初期導(dǎo)彈后滑塊豎直高度比前滑塊高，在0.187 s時(shí)，兩個(gè)滑塊在同一高度，之后導(dǎo)彈的后滑塊比前滑塊低，說明在這個(gè)階段，導(dǎo)彈的姿態(tài)由俯視變?yōu)樯涎觯?/p>

5) 導(dǎo)彈仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)彈在0.193 s時(shí)3個(gè)滑塊全部脫離軌道。

圖2 滑塊的豎直位移

圖3是導(dǎo)彈發(fā)射過程中，導(dǎo)彈發(fā)生的俯仰角的變化曲線，從圖3可以看出，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中，導(dǎo)彈的俯仰角向下，然后慢慢變小，再逐漸增加，方向變?yōu)橄蛏?，因此?dǎo)彈的姿態(tài)是先向下俯，然后由于導(dǎo)彈滑塊與離軌導(dǎo)引面的碰撞，再向上仰；當(dāng)0.193 s時(shí)3個(gè)滑塊全部脫離軌道且滑出導(dǎo)引面時(shí)，導(dǎo)彈仰角為0.055 5°。

圖3 導(dǎo)彈的俯仰角

3 導(dǎo)引面參數(shù)對導(dǎo)彈發(fā)射姿態(tài)影響分析

根據(jù)上節(jié)所得到的結(jié)果，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中，滑塊會與導(dǎo)引面發(fā)生碰撞，影響導(dǎo)彈離軌時(shí)的姿態(tài)；分析模型，導(dǎo)引面參數(shù)包括導(dǎo)引面與導(dǎo)軌角度θ以及導(dǎo)軌結(jié)束端到導(dǎo)引面起始端的距離L(圖4)。

圖4 導(dǎo)引面特征

3.1 參數(shù)L的影響

圖5是L長度不同時(shí)，各種工況下導(dǎo)彈俯仰角隨導(dǎo)彈航向位移的變化曲線。L為導(dǎo)軌結(jié)束面到導(dǎo)引面起始端的距離。從圖5還可以看出，在各種工況下，隨導(dǎo)彈航向位移的增大，導(dǎo)彈的俯仰角全部是先向下，即導(dǎo)彈呈俯視的姿態(tài)，然后隨著導(dǎo)彈航向位移的增大，導(dǎo)彈滑塊與導(dǎo)彈發(fā)射裝置發(fā)生碰撞，導(dǎo)致導(dǎo)彈俯仰偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。隨著位移的逐漸增大，導(dǎo)彈俯仰角增大到正值，說明導(dǎo)彈的姿態(tài)為上仰。

圖6給出了5種工況下導(dǎo)彈脫離軌道時(shí)的俯仰角。俯仰角都是正值，各工況下導(dǎo)彈呈上仰的姿態(tài)，且隨著導(dǎo)軌結(jié)束面到導(dǎo)引面起始端的距離L的增大，導(dǎo)彈脫離軌道時(shí)的仰角越小，說明L值對導(dǎo)彈俯仰角的敏感度比較小。

3.2 參數(shù)θ的影響

圖7是θ值不同時(shí)，各種工況下導(dǎo)彈俯仰角隨導(dǎo)彈航向位移的變化曲線。從圖7還可以看出，在各種工況下，隨導(dǎo)彈航向位移的增大，導(dǎo)彈的俯仰角全部是先向下，即導(dǎo)彈呈俯視姿態(tài)，然后隨著導(dǎo)彈航向位移的增大，導(dǎo)彈滑塊與導(dǎo)彈發(fā)射裝置發(fā)生碰撞導(dǎo)致導(dǎo)彈俯仰偏轉(zhuǎn)發(fā)生變化。隨著位移的逐漸增大，工況A的俯仰角角速度變小，但方向不變，說明工況A中，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中一直呈俯視姿態(tài)，而其他4種工況的俯仰角角速度變小然后逐漸增大為正值。在工況B中，俯仰角一直為負(fù)值，說明工況B中，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中一直呈俯視姿態(tài)，而其他3種工況的俯仰角由為負(fù)變?yōu)檎担f明導(dǎo)彈在這3種工況下，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中的姿態(tài)先俯視后變?yōu)樯涎觥?/p>

圖8給出了5種工況下導(dǎo)彈脫離軌道時(shí)的俯仰角，從圖8中可以看出，隨著θ值的增大，導(dǎo)彈的俯仰角由負(fù)值變?yōu)檎?，說明隨著θ值的增大，導(dǎo)彈脫離軌道時(shí)的姿態(tài)先俯視后變?yōu)樯涎?，說明θ值對導(dǎo)彈俯仰角的敏感度較大。

圖5 導(dǎo)彈俯仰角隨導(dǎo)彈航向位移變化曲線

圖7 導(dǎo)彈俯仰角隨導(dǎo)彈航向位移變化曲線

圖8 不同θ值導(dǎo)彈脫離軌道時(shí)的俯仰角

4 結(jié)論

仿真結(jié)果分析，虛擬樣機(jī)方法可以模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程，同時(shí)可以得出導(dǎo)彈發(fā)射過程中脫離軌道時(shí)的導(dǎo)彈姿態(tài)，通過虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對此進(jìn)行仿真得到不同仿真結(jié)果，給出了理想的導(dǎo)彈軌道模型。虛擬樣機(jī)技術(shù)加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)省了生產(chǎn)成本、試驗(yàn)周期，很大程度上縮短了導(dǎo)彈發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)周期。

[1] 周振浩.虛擬樣機(jī)導(dǎo)彈系統(tǒng)的建模方法與模型確認(rèn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2004，21(10):18-20.

[2] 程永強(qiáng).某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置展開過程的動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2005，25(2):139-141.

[3] 李明兵.ADAMS在導(dǎo)彈發(fā)射車總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2011(6):79-80.

[4] 殷增振.車載導(dǎo)彈多柔體發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29(2):183-186.

[5] 高星斗.車載導(dǎo)彈多體發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(6):60-62,69.

[6] 李偉波，曹延杰，朱良明.艦載導(dǎo)彈電磁垂直發(fā)射系統(tǒng)仿真研究[J].兵工自動(dòng)化，2015(9):18-21.

[7] 關(guān)雷.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的彈射發(fā)射裝置動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械與電子，2007(2):78-80.

[8] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

(責(zé)任編輯 唐定國)

Study of a Missile Attitude on Launcher Device of Slide Rail Type Based by Adams

LI Jian-gang, MA Yu-qin

(Keian Group Co., Ltd., Xi’an 710077, China)

A multi-rigid body model of dynamic simulation was established by virtual prototype technology. The displacement of missile three slider trend verified the changes of missile pitch angle, and the change trend of missile attitude was analyzed by launching system during launching，and comparing the influence of the missile attitude by launching by comparing the variety of rail parameter, we provided the basis for the design of the guide rails.

launching device；dynamics；missile attitude；virtual prototype technology

2016-08-25；

2016-09-30

李建剛(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。

10.11809/scbgxb2017.02.030

李建剛，馬玉芹.基于ADAMS的導(dǎo)軌式導(dǎo)彈發(fā)射裝置發(fā)射姿態(tài)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):132-134.

format:LI Jian-gang, MA Yu-qin.Study of a Missile Attitude on Launcher Device of Slide Rail Type Based by ADAMS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):132-134.

TH113.2

A

2096-2304(2017)02-0132-03