基于ADAMS和ANSYS的某炸彈架鎖制機構(gòu)仿真分析

王占富，陳 暉，謝麗萍，孫世峰

（1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009；2.清華大學醫(yī)學院，北京100084；3.中國人民解放軍93016部隊，吉林 公主嶺136100）

0 引言

鎖制機構(gòu)是炸彈架的重要部件。在炸彈架投放炸彈過程中，施加在鎖制機構(gòu)各零件的載荷復雜多變，易產(chǎn)生應力集中，機構(gòu)卡滯，造成解鎖不順暢，而影響炸彈投放的分離安全性。所以正確分析鎖制機構(gòu)的受力情況對改善其工作性能尤為重要。由于鎖制機構(gòu)解鎖投放炸彈過程的每一個循環(huán)周期內(nèi)，機構(gòu)中的各零件所處的位置及所受的載荷是不斷變化的，通過數(shù)學建模方法僅求解確定一個工況狀態(tài)條件下的運動特性就需花費大量時間，所以很難對該機構(gòu)進行符合實際工況條件的應力分析。通過在ADAMS軟件中建立動力學模型，仿真求解出鎖制機構(gòu)一個解鎖投放炸彈過程循環(huán)周期內(nèi)的運動特性，以此作為ANSYS應力分析所需的邊界條件與載荷［1－2］。基于該方法，以鎖制機構(gòu)中的關(guān)鍵零件鎖制鉤為例，分析得出其符合實際工況的應力分析，以此為依據(jù)，提出了鎖制機構(gòu)后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施。

1 仿真分析流程

基于該方法的仿真分析主要分為5個步驟：在UG中建立鎖制機構(gòu)的三維模型；將UG模型轉(zhuǎn)換的Parasolid格式的文件導入ADAMS中，建立鎖制機構(gòu)的虛擬樣機模型，計算并添加外部載荷，設(shè)置解鎖力驅(qū)動函數(shù)；在ADAMS中進行運動學與動力學仿真分析［3］，仿真完成后，導出載荷文件；將鎖制鉤模型導入ANSYS中，建立鎖制鉤有限元模型，根據(jù)ADAMS導出的載荷文件為鎖制鉤施加載荷；在ANSYS中進行有限元仿真［4］，輸出應力、變形分布云圖并分析。仿真分析流程如圖1所示。

圖1 仿真分析流程

2 鎖制機構(gòu)運動與動力特性仿真

2.1 虛擬樣機建模

鎖制機構(gòu)是炸彈投放架中較為復雜的部件，將在UG中建立好的鎖制機構(gòu)三維實體模型轉(zhuǎn)換為Parasolid格式文件導入ADAMS中，通過簡化，在ADAMS虛擬樣機動力學模型中共有16個零件、16個轉(zhuǎn)動副、8個接觸副、2根彈簧、2個預緊扭矩和1個階越函數(shù)驅(qū)動力。與炸彈投放架殼體固鉸的8個轉(zhuǎn)動副引入8個摩擦力，其中動摩擦系數(shù)0.1，靜摩擦系數(shù)0.2。

虛擬樣機模型的彈簧采用理想彈簧模型，即不考慮彈簧的阻尼效果，并且不考慮電路延遲效果。因此，模型的仿真結(jié)果的運動特性會比實際樣機略偏快。

2.2 解鎖力仿真

解鎖力施加曲線如圖2所示。力方向向下，通過仿真分析可得，解鎖力峰值為特定要求條件下，鎖制機構(gòu)在規(guī)定解鎖時間內(nèi)，能夠可靠安全解鎖，投放炸彈。

圖2 解鎖力施加曲線

2.3 鎖制鉤運動學分析

在解鎖投放炸彈過程，鎖制鉤運動過程前、后鎖制鉤角度變化如圖3、圖4所示，前、后鎖制鉤水平最大擺動角度分別為20.6°、20.5°，基本一致。所述鎖制鉤運動分析滿足設(shè)計值要求。

圖3 前鎖制鉤角度變化

圖4 后鎖制鉤角度變化

2.4 鎖制鉤接觸力分析

對鎖制機構(gòu)中的關(guān)鍵零件前、后鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力分析，圖5、圖6為前、后鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力曲線圖，因炸彈重心距離兩吊耳之間位置靠后，所以后鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力值大于前鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力值。前鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力峰值為2 582N，掛載炸彈及鎖制機構(gòu)解鎖過程中，接觸力穩(wěn)定值1 380N，炸彈投放之后接觸力為0；后鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力峰值為3 967N，掛載炸彈及鎖制機構(gòu)解鎖過程中，接觸力穩(wěn)定值2 166N，炸彈投放之后接觸力為0。

圖5 前鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力

圖6 后鎖制鉤與炸彈吊耳處接觸力

3 鎖制鉤應力分析

將鎖制機構(gòu)關(guān)鍵零件鎖制鉤UG三維模型，通過Parasolid格式導入ANSYS進行有限元分析。鎖制機構(gòu)的其他零件可以參照鎖制鉤的分析方法進行。

將前述ADAMS動力學仿真計算的鎖制鉤接觸力載荷代入鎖制鉤有限元模型中。由于前、后鎖制鉤結(jié)構(gòu)基本一致，所以為了簡化模型，只計算后鎖制鉤最大接觸力載荷下應力即可。

計算邊界條件為在鎖制鉤接觸面圓柱副約束，安裝孔簡單支撐，在鎖制鉤掛載炸彈工作面施加作用力為3 967N。鎖制鉤應力分布如圖7所示，最大應力為308.52MPa；鎖制鉤變形分布如圖8所示，最大變形為0.065mm，變形微小，可忽略，不會影響鎖制機構(gòu)工作過程。

圖7 鎖制鉤應力分布

圖8 鎖制鉤變形分布

不銹鋼材料強度極限1 310MPa，遠大于計算最大應力308.52MPa，滿足設(shè)計要求，并有較大的強度富余，可以進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。此外，存在應力集中現(xiàn)象，應力集中主要出現(xiàn)在鎖制鉤掛載炸彈工作面根部，在設(shè)計時應適當加大該位置圓角尺寸。

4 結(jié)束語

運用UG和ADAMS建立了某炸彈投放架鎖制機構(gòu)的虛擬樣機模型。在ADAMS中對鎖制機構(gòu)進行運動學與動力學仿真，求解出了各零件的載荷曲線。將最大載荷作為危險工況導入ANSYS中進行有限元應力分析，使得鎖制機構(gòu)的應力分析更符合實際工況。基于該方法以鎖制機構(gòu)的關(guān)鍵零件鎖制鉤為例簡述了分析步驟，其仿真結(jié)果為鎖制機構(gòu)的進一步改進優(yōu)化設(shè)計提供了計算分析依據(jù)。并依此提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施。對于同類具有復雜工況的機構(gòu)仿真分析提供了一種普遍方法。

［1］ 吳 宵，傅燕鳴，沈 斌.基于 ADAMS與 ANSYS Workbench的遞紙機構(gòu)應力分析［J］.機械設(shè)計與制造，2012，（9）：82－84.

［2］ 王 昕，陳海虹，王 鵬，等.基于ADAMS與ANSYS的挖掘機動臂仿真分析［J］.礦山機械，2012，40（8）：33－35，36.

［3］ 郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應用實例教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］ 李 兵，陳雪峰，卓 頡.ANSYS工程應用［M］.北京：清華大學出版社，2010.