基于虛擬樣機的遠程火箭炮故障過程仿真與失效壽命預測

黃少羅，　李文博，　曹立軍

(1. 軍械工程學院 基礎部， 河北 石家莊 050003；　2. 軍械工程學院 火炮工程系， 河北 石家莊 050003)

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基于虛擬樣機的遠程火箭炮故障過程仿真與失效壽命預測

黃少羅1，李文博1，曹立軍2

(1. 軍械工程學院 基礎部， 河北 石家莊 050003；2. 軍械工程學院 火炮工程系， 河北 石家莊 050003)

為了能夠準確地測量遠程火箭炮在各種工況下關重件的載荷譜，真實地反映故障的發生和發展過程，提出了適合于大型復雜系統耦合仿真的協同仿真方案，建立了遠程火箭炮完整的虛擬樣機,較好地解決了機電液耦合、多碰撞變拓撲等建模難點，并通過臺架試驗和實裝試驗驗證了虛擬樣機的可信性。以同步器磨損失效過程為例，將同步器與嚙合齒輪分別制成銷試樣和盤試樣，基于摩擦磨損試驗獲取典型材料在不同工況下的磨損規律，結合虛擬樣機仿真結果，計算其磨損失效壽命，為實現預知維修和精確化保障提供決策依據。

虛擬樣機；摩擦磨損試驗；故障仿真；磨損；失效壽命

遠程火箭炮是我國陸軍實現遠程火力打擊的“撒手锏”裝備，填補了身管火炮與戰術導彈之間的火力空白，具有自動化程度高、射程遠、威力大、精度高、機動性好等優點。長期以來，我軍一直以戰備完好性作為衡量裝備實際戰斗力水平的依據，但只能保證裝備在任務開始點走得動、打得響，至于走多遠、打多久卻難以預測。就裝備管理與保障部門來說，能夠準確仿真和預測裝備在未來訓練或作戰任務過程中的故障發生情況，對于科學、合理地進行作戰決策與維修決策具有重要的參考意義。

遠程火箭炮服役環境惡劣，工作載荷復雜多變，在不同路面、不同行駛速度、不同射擊條件下基于實裝試驗對關重件的載荷歷程進行測試的難度很大，甚至有的關重件的工作載荷根本無法測量。為了克服載荷譜準確獲取的難題，真實地反映遠程火箭炮故障的發生和發展過程，論文提出了基于協同仿真的機電液控耦合系統建模方法，建立了遠程火箭炮完整的虛擬樣機，對其工作過程和故障過程進行仿真，基于臺架試驗和實裝試驗驗證虛擬樣機的可信性，并以變速箱同步器為例說明磨損失效過程仿真及磨損失效壽命預測方法。

1　基于協同仿真的機電液控耦合系統建模方法

遠程火箭炮是集機、電、液、控為一體的復雜系統，工作過程中涉及的剛體數目大、自由度多，單領域的仿真方法難以準確地描述其工作過程。如果人為地將復雜系統分割為多個功能子系統進行單獨建模與仿真，雖然降低了建模的復雜程度，減少了單次仿真時間，但影響各功能子系統之間狀態數據的實時傳遞。同時，過度地簡化復雜系統的拓撲結構和邊界條件，將使得機、電、液、控耦合系統之間的耦合效應難以準確描述，影響仿真精度[1]。

遠程火箭炮高低電液隨動系統是典型的機、電、液、控耦合系統，主要包括隨動控制箱、測角裝置、伺服泵總成、控制閥組、鎖緊閥組、高低平衡機、手動泵總成等各種機械、液壓和電控元件，它們之間的耦合關系如圖1所示。機械系統與液壓系統之間通過液壓缸和液壓馬達耦合，液壓系統壓力和流量的計算均以液壓缸和液壓馬達為基礎，電控系統通過多個傳感器和行程開關與機械系統的運動部位相關聯，并將各類控制信號輸出到液壓系統的控制閥組，伺服泵產生液壓動力，液壓系統負責將執行元件負載的變化轉化為壓力信息，進一步影響液壓缸和液壓馬達的運動速度。

遠程火箭炮協同仿真建模流程如圖2所示。機、電、液、控耦合系統的協同仿真采用“PTC.Pro/E+MSC. ADAMS+MSC.EASY5”軟件組合來實現。在三維實體建模軟件PTC.Pro/E中，完成機械系統的三維實體建模；在MSC.ADAMS中建立動力學模型，添加力和約束；電氣、液壓和控制系統的建模在MSC. EASY5中完成，并與動力學模型進行有效耦合控制；虛擬樣機的驗證主要基于實裝試驗和設計數據，驗證與修改貫穿整個建模過程，直至虛擬樣機仿真結果與實裝試驗結果之間的誤差在可接受的范圍內[1-2]。

圖2　機、電、液、控耦合系統協同仿真建模流程

2　虛擬樣機的建立

在開發遠程火箭炮虛擬樣機之前，需要對實裝和服役環境進行適當的簡化：(1) 除轉動鉸和滑移鉸外，其他鉸接處不考慮內部摩擦和阻尼；(2) 除彈性元件、阻尼元件和橡膠元件外，其他零部件均視為剛體；(3) 在行駛過程中，遠程火箭炮的簧載質量簡化為一個具有集中質量和轉動慣量的剛體(共有6個自由度)；(4) 在不影響機構動作和仿真精度的前提下，盡可能地簡化零部件外廓形狀；(5) 多個固接且沒有相對運動的零部件簡化為一個零部件。

圖3和圖4分別是定向器束和回轉機的三維實體模型。按照實裝各功能子系統之間的位置和連接關系，將各功能子系統的虛擬樣機通過信號器(communicator)連接在一起，相互之間進行數據交流(位置、力、仿真參數設置、控制信號等)，共同組成遠程火箭炮虛擬樣機，如圖5所示。

圖3　定向器束三維實體模型

圖4　回轉機三維實體模型

圖5　遠程火箭炮虛擬樣機

在遠程火箭炮虛擬樣機的工作過程與故障過程仿真中，涉及閉鎖力、火箭彈推力、火箭彈燃氣流沖擊力、碰撞力、彈簧力、空氣阻力等外部、內部作用力，必須建立相應的力學模型。下面以火箭彈推力為例說明MSC.ADAMS中力學模型的建立方法。

火箭彈通電后，火箭彈發動機向后排出大量高速、高壓、高溫的燃氣流，燃氣流的反作用產生火箭彈的推力。火箭彈推力的大小根據試驗數據進行計算。在MSC.ADAMS中，采用AKISPL曲線擬合法對實驗數據進行擬合，得到遠程火箭炮的推力曲線，并通過IF函數進行調用：

IF(time-0.3×n:0,0AKISPL(time-

0.3×n,0,Spline_push,0))

(1)

式中，time為仿真時間；Spline_push為調用由試驗數據獲得的火箭彈推力的樣條曲線；n為發射第n發火箭彈。

3　虛擬樣機可信性驗證

仿真模型的正確性和精確度直接影響仿真結果的可信度。檢驗虛擬樣機可信性的最佳途徑是將仿真結果與試驗數據進行對比[2]。遠程火箭炮虛擬樣機可信性驗證采用臺架試驗與實裝試驗相結合的方式進行，對于單一功能子系統通常采用臺架試驗的方式進行驗證，對于整裝虛擬樣機的射擊或行駛過程通常采用實裝射擊或行駛試驗進行驗證。

3.1基于臺架試驗的虛擬樣機可信性驗證

遠程火箭炮減振器臺架試驗主要包括示功特性試驗、速度特性試驗和疲勞特性試驗，它們均在德國IST公司生產的油氣彈簧試驗臺上進行，通過試驗臺的門架式結構模擬實裝輸入不平路面產生的各種頻率和振幅的激勵，試驗臺即時顯示減振器的特性曲線。遠程火箭炮減振器臺架試驗參照國家標準QC/T 545—1999《汽車筒式減振器臺架試驗方法》進行，試驗溫度為20±2℃，上端施加正弦激勵信號[3]。圖6為減振器臺架試驗過程。

圖6　減振器臺架試驗過程

圖7為采用正弦激勵、振幅為100 mm、最大速度為0.05 m/s時，減振器示功特性試驗結果與仿真結果的對比，圖8為同等條件下速度特性試驗結果與仿真結果的對比，均方根誤差為34.26 N/樣本點，說明虛擬樣機仿真結果與示功、速度特性試驗結果之間具有較好的一致性，誤差在可以接受的范圍內，能夠滿足遠程火箭炮減振器和整裝動力學仿真的精度要求。

圖7　減振器示功特性試驗結果與仿真結果的對比

圖8　減振器速度特性試驗結果與仿真結果的對比

3.2基于實裝試驗的虛擬樣機可信性驗證

借助于遠程火箭炮大型行駛試驗，測量實裝行駛過程中的部分信息，與同等條件下的虛擬樣機仿真結果進行對比，驗證遠程火箭炮虛擬樣機行駛過程仿真結果的可信性。

實裝行駛試驗的試驗裝備是一門技術狀況完好的遠程火箭炮，試驗設備主要包括電子羅盤、轉向參數測試儀、陀螺儀、數據采集卡和工控機等，可以精確地測量車體側傾角、方向角和俯仰角等數據[4]。試驗設備之間的連接關系如圖9所示，相關測量參數如表1所示。

圖9　實裝行駛試驗設備連接關系

試驗測量參數定半徑回轉試驗方向盤轉角橫擺角速度車體側傾角通過試驗場地的有效時間方向盤轉角脈沖輸入試驗方向盤轉角橫擺角速度

圖10是當遠程火箭炮行駛速度為45 km/h時，虛擬樣機仿真與實裝定半徑回轉試驗中的車體側傾角對比情況。可以看出：在虛擬樣機仿真和實裝行駛試驗過程中，遠程火箭炮車體側傾角最大值在20°附近變化；在進出遠程火箭炮行駛軌跡的圓弧段時，仿真結果與試驗結果的變化趨勢基本一致。表1中的其他參數也采用同樣方法進行比較，如果誤差過大，需要反復修改虛擬樣機，直至誤差滿足要求，使所建立的虛擬樣機在仿真過程中能夠反映遠程火箭炮的實裝特性。

圖10　車體側傾角仿真結果與試驗結果的對比

4　同步器磨損失效過程仿真

在已經建立虛擬樣機的基礎上，結合部組件臺架試驗、實裝試驗和失效壽命試驗，可以進一步預測關重件的失效壽命。由于論文篇幅的限制，僅以同步器磨損為例說明失效壽命預測過程。同步器是遠程火箭炮變速箱的重要部件，換擋時同步器使變速箱主、從動部分轉速相同后再結合，從而減小沖擊和噪聲，減輕換擋力，使換擋過程平順，延長變速箱齒輪的壽命。在已經建立遠程火箭炮虛擬樣機并對虛擬樣機可信性進行驗證的基礎上，可以獲得同步器在各種工況下的工作載荷及狀態參數變化規律。圖11和圖12為駕駛員施加160 N的力，掛擋力為1 965 N時，遠程火箭炮從二擋到三擋的同步過程仿真結果。

圖11　作用在同步器上的扭矩變化規律

圖12　同步器角速度和角加速度變化規律

在同步器工作過程中，同步器體錐面與齒輪錐面之間產生摩擦磨損，逐漸導致失效。同步器體的材料是20Cr2Ni4A，齒輪錐面的材料是38CrSi。將配對材料分別制成銷試樣(20Cr2Ni4A)和盤試樣(38CrSi)，在銷-盤式摩擦磨損試驗機上進行加速壽命試驗。由于遠程火箭炮的掛擋時間通常為0.5～2 s，同步器的摩擦磨損時間較短，可以不考慮摩擦導致的熱效應，在試驗過程中主要研究磨損率與壓力、速度和硬度之間的關系。

通過銷試樣和盤試樣之間的距離、試樣的直徑，可以得到二者之間的相對摩擦速度

(2)

式中，v為試樣摩擦面的相對摩擦速度(m/s)；n為試樣的轉速(r/min)。

銷試樣和盤試樣的硬度在HL-150A型洛氏硬度計上測定，磨損量采用稱量法測定，磨損率按照單位時間的磨損量進行計算，如式(3)所示，其物理意義為單位摩擦功的磨損量[5]。

(3)

式中，ΔW為磨損質量損失(mg)；R為平均摩擦半徑，即銷試樣摩擦表面與盤試樣旋轉中心之間的距離(m)；t為摩擦時間(s)；N為施加在銷試樣上的法向壓力(N)；μ為摩擦系數。

通過材料摩擦磨損試驗，可以得到滑動速度、接觸壓力等因素對磨損率的影響規律。圖13是滑動速度對磨損率的影響規律，可以看出：(1) 隨著滑動速度的增加，銷試樣的磨損率增加；(2) 在滑動速度小于等于40 m/s時，磨損率較小，且磨損率隨著滑動速度增加而增大的趨勢不明顯；(3) 當滑動速度大于40 m/s后，隨著滑動速度的增加，磨損率增加的趨勢明顯，且載荷越大，磨損率增加的趨勢越明顯。

圖13　滑動速度對磨損率的影響

在變速箱允許的操縱行程內，應保證同步器行程使嚙合齒套全長嚙合，如圖14所示，則操縱同步器的行程為

(4)

圖14　同步器行程

圖中，嚙合齒的齒厚為b，齒套與嚙合齒的間隙為δ2，錐面間隙為δ1，錐體半錐角為α。掛擋時，同步器在齒套和嚙合器嚙合之前，完成錐面間的接觸，即

(5)

因此，同步器允許的磨損量為

(6)

摩擦錐面壓力為

(7)

式中，α為錐體半錐角；Ss為同步器錐面間的接觸面積。

在換擋過程中，摩擦力矩不變，因此相對滑動速度V呈線性變化規律，初速度為V0，末速度為0。

(8)

(9)

式中，t為同步時間；t′為同步器接合時間。

同步器接合一次的磨損質量δw按式(10)積分進行計算

(10)

同步器接合一次的磨損厚度按式(11)進行計算

(11)

根據同步器的接合次數可以求得磨損壽命為

(12)

采用虛擬樣機仿真得到的同步時間進行計算，二擋換三擋時，同步器體的磨損壽命如表2所示。

表2　同步器不同掛擋力對應的磨損壽命

由表2可以看出，掛擋時加大同步力可以縮短同步時間，但增大了磨損量，從而縮短了同步器的服役壽命。表中所示同步器的服役壽命與部隊實裝使用情況基本一致，說明了仿真與預測結果的可信性。

5　結　論

1) 虛擬樣機為大型復雜系統的耦合仿真提供了有效的解決途徑，可以準確地測量關重件的載荷譜，真實地反映故障的發生和發展過程。同時，實裝試驗是檢驗虛擬樣機仿真結果可信性的最佳途徑。

2) 在虛擬樣機準確測量關重件載荷譜和基于摩擦磨損試驗獲取典型材料磨損規律的基礎上，通過建立磨損失效模型可以預測關重件在不同工況下的失效壽命，為實現預知維修和精確化保障提供決策依據。

References)

[1]LIU J H,ZHANG Y,CAO L J,et al.Virtual prototype simulation and reliability analysis for drive system of armored chassis[J].Journal of Donghua University,2015,32(1):166-170.

[2]胡慧斌，陳樹肖，李琳琳，等.基于虛擬樣機的輪式自行火炮操縱穩定性仿真[J].系統仿真學報，2015，27(11)：2735-2740.

[3]國家機械工業局.汽車筒式減振器臺架試驗方法：QC/T 545—1999[S].北京：中國標準出版社，1999：5-11.

[4]OKCUOGLU M,FRIEDMAN K.Consideration of vehicle handling and stability with improved roof strength[J].International Journal of Crashworthiness,2007,12(5):541-547.

[5]楊艷峰，狄長春，杜中華，等.基于虛擬樣機的炮閂故障仿真研究[J].機械工程師，2015(11)：178-180.

(編輯：李江濤)

Fault Process Simulation and Life Prediction of Failure Based on Virtual Prototype for MLRS

HUANG Shaoluo1,LI Wenbo1，CAO Lijun2

(1. Department of Fundamental Course, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China;2. Department of Gun Enginering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China)

To accurately measure the loan spectrum of key elements of multiple long-range rocket system (MLRS) in various working conditions and truly reflect the occurrence and development process of fault, the paper puts forward a collaborative simulation scheme suitable for coupling simulation of large complex system, establishes a complete virtual prototype of MLRS, solve out the difficulties for modeling like mechatronic-hydraulic coupling and multiple collision and variable topology, then verifies the credibility of the virtual prototype by bench test and live-fire test . Taking the wear and failure process of synchronizer as an example, the paper makes synchronizer and a meshing gear as a pin specimen and a plate specimen respectively. Based on the tribological wear test, the paper draws the wear rules of typical materials under different conditions. Combined with the virtual prototype simulation results, the paper calculates the wear failure life to provide decision-making basis for predictive maintenance and accurate support.

virtual prototype; tribological wear test; fault simulation; wear; failure life

2016-03-17

部委級資助項目

黃少羅(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向為武器裝備效能評估。

TP391.9

2095-3828(2016)04-0058-06

A

10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.013