基于Adams的某整流罩分離影響因素仿真分析*

王博哲，吳競峰，桑希軍，陳 偉

(中國航天科工集團第九總體設計部，武漢 430040)

0 引言

整流罩是導彈在稠密大氣層飛行過程中，保護有效載荷不受氣動力、氣動熱及聲振等有害環境影響的關鍵部件[1]。在有效載荷無需保護時，必須打開整流罩，以便有效載荷正常工作。為了實現整流罩與彈體能夠安全分離，保證兩者在分離過程中不發生碰撞，建立有效的力學模型并通過在計算機上的結構動態仿真則是解決分離問題的有效途徑[2]。

文中采用Adams動力學分析軟件，在考慮了分離前彈體(包括整流罩)殘余角速度的影響條件下，對某型導彈整流罩的分離過程進行了動力學仿真研究。

1 整流罩分離系統介紹

整流罩采用整體軸向分離方案[3]，連接解鎖裝置采用爆炸螺栓，分離沖量裝置為彈簧作動器。分離系統結構形式如圖1所示，其中4個彈簧作動器沿圓周方向均勻分布。

仿真的初始條件定義如下:

1)分離系統相關對象的質量特性參數如表1所示。

圖1 整流罩及分離體結構圖

表1 分離系統質量質心參數表

2)初步選用分離彈簧剛度為50.8N/mm，彈簧行程49mm，因此彈簧壓縮后的力為2489.2N。仿真分析中彈簧剛度較大，阻尼按剛度的1‰考慮[4]。彈簧的剛度偏差(彈簧圈數大于10)如表2所示[5]。

表2 彈簧剛度極限偏差表

3)彈簧作動器在仿真坐標系中的布置位于象限偏45°方向上。

圖2 彈簧作動器的布置

4)爆炸螺栓解鎖同步性一般要求為0.2ms，為了可靠，本文分析中采用0.5ms。

5)分離過程中整流罩內端框最可能與分離體發生碰撞。在仿真過程中給出整流罩內端框靠近端面的兩點(位置如圖1所示)qzh_shang(0，520.5)和 qzh_xia(0，－520.5)的軌跡，并分別給出這兩點到分離體軸線的距離。

2 仿真模型的建立

仿真模型包括整流罩、彈簧作動器組件、分離體，這些模型是采用簡化的方式在 Pro/E中建立，利用Pro/E和MSC Adams間的接口軟件，定義剛體和關鍵Marker點，定義好的模型導入 Adams，在 Adams中定義約束、力以及初速度等邊界條件。添加的邊界條件如表3所示。

表3 剛體間的約束關系

主要仿真步驟如下:

1)在添加表3中所有約束和力的情況下仿真1s;

2)使表中序號4、序號5、序號6的約束和力失效;

3)繼續小步長仿真0.5s，400步長;

4)加大步長，仿真至約束(結束時間 3s，步長150)。

其中，通過控制序號6中4個固定副的失效時間模擬解鎖不同步性。通過修改序號2中spring的參數實現彈簧剛度偏差仿真;控制序號6中4個固定副的失效數量來模擬某彈簧失效。

3 整流罩分離相關因素仿真分析

仿真時把整流罩和分離體固定為一個整體，并在總質心處加1°/s的轉動，仿真1s后分離，再繼續仿真2s。下文提到的時間均為仿真時間，實際分離時間應減去1s。

3.1 解鎖不同步條件下的分離過程仿真分析

爆炸螺栓解鎖不同步仿真分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4慢0.5ms，分析結果為 man14;第二種情況是彈簧作動器 2、3慢 0.5ms，分析結果為man23。為了便于比較，對解鎖同步的情況進行了仿真，分析結果為biaozhun。

仿真分析結果如圖3～圖5所示。

圖3 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖4 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖5 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖3～圖5可以得出如下結論:

1)由圖3知解鎖不同步對相對分離速度和位移沒有影響;

2)由圖4知，解鎖不同步使整流罩的姿態角速率最大為 2.0°/s，分離體的姿態角速率最大為1.0016°/s;

3)如圖5所示，解鎖不同步對軌跡和距離影響較小。

3.2 彈簧剛度偏差條件下的分離過程仿真分析

彈簧剛度存在偏差時，分離姿態的最壞情況是殘余角速率與由于剛度偏差引起的姿態轉動疊加。仿真分三種工況，分別按一級、二級、三級彈簧的剛度偏差。每種工況分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4剛度偏大，彈簧2、3剛度偏小，仿真結果為da14_x，其中x為1、2或3，表示幾級彈簧;第二種情況是彈簧1、4剛度偏小，彈簧2、3剛度偏大，仿真結果為da23_x。為了便于比較，對剛度不存在偏差的情況進行了仿真，仿真結果為biaozhun。仿真分析結果如圖6～圖8。

圖6 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖7 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖8 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖6～圖8可以得出如下結論:

1)由圖6知，剛度偏差對相對分離速度和位移影響較小，沿X軸的相對分離速度為2.45m/s;

2)如圖7所示，彈簧按一、二、三級，整流罩姿態角速率最大分別為 3.6°/s、6.2°/s、8.7°/s，分離體姿態角速率最大分別為 1.005°/s、1.010°/s、1.015°/s;

3)如圖8所示，彈簧剛度偏差對距離和軌跡影響較大。

3.3 彈簧失效條件下的分離過程仿真分析

在某彈簧失效條件下，分離姿態的最壞情況是殘余角速率與由于某彈簧失效引起的姿態轉動疊加。為了使兩者最大疊加，將模型整體沿軸線逆時針轉動45°，使彈簧位于仿真坐標系象限上。

仿真分兩種情況，第一種是如圖2逆時針旋轉后的彈簧1失效，分析結果為shixiao1;第二種情況是彈簧3失效，分析結果為shixiao3。為了便于比較，對彈簧正常工作的情況進行了仿真，分析結果為biaozhun。仿真分析結果如圖9～圖11。

圖9 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖10 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖11 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖9～圖11可以得出如下結論:

1)由圖9知某彈簧失效對相對分離速度和位移影響較大，沿X軸的相對分離速度為2.1m/s;

2)由圖10知，因彈簧失效使整流罩角速率最大為 40.2°/s，分離體姿態角速率最大為 1.08°/s;

3)由圖11知某彈簧失效對距離和軌跡影響很大。

綜合上述三種影響因素的仿真分析，在表4中給出了各種工況下整流罩及分離體沿X軸方向相對分離位移為1000mm時的時間和整流罩內框兩點距分離體軸線的最小距離，同時給出了相對分離速度和整流罩姿態角速率。

表4 仿真結果匯總表

4 結論

文中應用Adams軟件對整流罩在解鎖不同步、彈簧剛度偏差、彈簧失效三類影響因素下的分離過程進行了動力學仿真分析，結果發現:

1)爆炸螺栓解鎖同步性對分離姿態的影響較小，不會影響分離;

2)彈簧剛度偏差對分離姿態影響較大，在選取彈簧時應選取高等級彈簧，并進行彈簧剛度篩選;

3)彈簧失效將導致整流罩不能正常分離。

[1]徐永成，茍永杰，王石剛.某衛星整流罩分離仿真分析[J].上海航天，2009(1):53－56.

[2]韓飛，雷義民，趙志軍.基于ADAMS的導彈分離技術研究[J].彈箭與制導學報，2008，28(5):48 －50.

[3]龍樂豪.總體設計(中)[M].北京:中國宇航出版社，2005.

[4]MSC 公司.MSC.ADAMS basic full simulation package training guide[M/OL]. http://paws.kettering.edu/～amazzei/student_guide.pdf

[5]GB 1239.2－89冷卷圓柱螺旋壓縮彈簧技術條件[S].國家質量監督檢驗檢疫總局，1989.