基于ADAMS的某型發射裝置燃氣解鎖機構運動學仿真分析*

張 登,徐宏斌,張大治,李端松,韓 飛

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

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基于ADAMS的某型發射裝置燃氣解鎖機構運動學仿真分析*

張 登,徐宏斌,張大治,李端松,韓 飛

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

為了研究基于某型發射裝置設計的新型燃氣解鎖機構的解鎖功能,文中基于虛擬樣機軟件ADAMS,建立了該燃氣解鎖機構的仿真模型,通過對該機構不同狀態下的解鎖工作過程進行運動學仿真分析,并研制出機構的原理樣機進行了相關試驗,確定機構解鎖順利,功能完整,驗證了該機構的解鎖運動原理及設計方案的可行性。

燃氣解鎖;ADAMS;運動學分析;試驗驗證

0 引言

國內現有直升機載發射裝置中,常用的鎖彈器解鎖方式有機械解鎖與電氣解鎖兩種。機械解鎖的鎖彈器,其鎖彈力與解鎖力相同,一般解鎖力值較大,發射瞬間對鎖彈器和導彈的沖擊較大。而電氣解鎖的鎖彈器是通過電信號將其解鎖,這需要鎖彈器與導彈上的機電保險裝置相互配合,且要考慮電磁兼容等問題,這種鎖彈方式相對復雜[1]。

為了減小發射裝置解鎖機構對導彈發射離軌時的沖擊影響,提高解鎖機構的可靠性,文中提出了一種新型的燃氣解鎖機構,并利用ADAMS仿真平臺進行運動學仿真分析,驗證了該機構不僅能有效減小導彈發射時的沖擊,還具有結構簡單、穩定可靠的特點[2]。

1 工作原理

該燃氣解鎖機構(如圖1所示)主要是利用導彈發射時的發動機燃氣流形成解鎖力,從而帶動機構運動實現導彈的解鎖。機構具有正常解鎖和異常情況下的強制解鎖兩種工作狀態[3]。

正常解鎖:導彈發動機點火產生的燃氣流作用于推力柄形成旋轉力矩,使推力柄繞其轉軸旋轉,帶動解鎖連桿向右移動,此時解鎖連桿與鎖盤分離,鎖盤在拉簧的作用下繞其轉軸旋轉,從而實現對導彈的解鎖。同時,為防止直升機飛行時產生的氣流造成機構誤解鎖,設計了壓簧,其預壓值遠大于直升機飛行氣流產生的力矩,確保機構的安全性。在正常解鎖狀態下,導彈發射時基本沒有解鎖力的沖擊。

圖1 解鎖機構三維模型

強制解鎖:該工作狀態主要是為了在燃氣解鎖機構一旦失效的情況下也能將導彈解鎖,發射離軌,從而確保直升機的安全,是一種冗余設計。當燃氣解鎖機構失效時,導彈在發動機推力作用下推動鎖盤克服強制解鎖壓簧的預壓力,使鎖盤向前運動脫離解鎖連桿的限制,并在拉簧的作用下繞鎖盤轉軸轉動,從而解鎖導彈,使導彈發射離軌。由于強制解鎖是一種非正常狀態的應急安全措施,在該狀態下,導彈會受到一個較大的解鎖沖擊。

2 運動學模型

2.1 ADAMS中模型的建立

將三維模型導入ADAMS軟件中,模型中對推力柄與解鎖連桿間定義轉動副,推力柄與后座、導彈與鎖盤、解鎖連桿與鎖盤間定義接觸,鎖盤與基座、解鎖連桿與后座定義移動副,基座與大地、后座與大地建立固定約束[4-5]。

2.2 ADAMS中載荷的加載

強制解鎖壓簧預應力T1的設定原則:

F0

式中:F0為燃氣解鎖壓簧預壓力最小值(N);F推力為發動機推力(N)。

拉簧預應力的設計考慮鎖盤的運動特性,保證鎖盤的運動優先滑塊的運動。

燃氣解鎖壓簧預應力的設定考慮在空氣流推力、發射沖擊下仍能可靠鎖止等因素。

空氣流對推力柄的吹風:

p=ρ·v2

(1)

P=p·s

(2)

式中:p是壓強(Pa);ρ空氣密度,取1.3 kg/m3;v為風速(m/s);P為大氣施加給推力柄的力(N)。

沖擊力:

F=m·a

(3)

F軸沖=m軸沖·a

(4)

F推沖=m推沖·a

(5)

式中a為發射裝置受到的最大沖擊加速度(m/s2);F軸沖為軸與鎖頭所受沖擊力(N);F推沖為推力柄所受沖擊力(N)。

保證扭矩平衡[6]:

(F0-F軸沖)·L1=P·L2+F推沖·L3

(6)

式中:F0為燃氣解鎖壓簧預壓力最小值(N);L1、L2、L3為推力柄上相應距離(m);如圖2所示。

基于《發動機試驗報告》可知導彈推力的變化曲線如圖3所示,利用STEP(time,0.02,STEP(time,0,0,0.02,F1)0.05,F2)進行加載。基于《某型發動機尾流場計算報告》,對推力柄受力施加。

圖2 推力柄

圖3 發動機推力曲線圖

3 發射過程運動學分析

仿真時設置導彈質量M=60 kg,正常解鎖仿真時間設置為0.05 s,強制解鎖0.3 s,仿真步均為5 000步,得到拉簧受力圖、解鎖連桿位移圖。

圖4為拉簧在0～0.02 s的受力變化,可知在0.002 s時,鎖盤已完成初步旋轉,在0.024 s時,導彈與解鎖機構分離。

圖4 拉簧受力圖

圖5中,線2表示拉簧受力曲線,線1表示彈體的位移。通過對比可知,在線2的拐點a處,鎖盤受拉簧拉力作用已完成初始轉動,運動示意圖如圖6所示,機構已經解鎖,鎖盤下表面與滑塊接觸而后隨著導彈移動在線2拐點c約為0.024 s時解鎖完全;由線1可知彈體在0.007 5 s時才有較明顯的位移變化,在后續運動過程中,由于導彈滑塊與鎖盤的這種接觸形式,理論上解鎖過程是不受沖擊的。

圖5 彈體位移與拉簧受力對比圖

圖6 鎖盤運動示意圖

在圖7中,線3為11 000 N下,彈簧運動距離;線4為4 000 N下,彈簧運動距離。其中起始點均為24.779 5 mm,在11 000 N下,彈簧在0.091 2 s達到最大距離-21.064 4 mm,強制解鎖完畢。在4 000 N下,彈簧在0.209 4 s達到最大距離-21.280 6 mm,強制解鎖完畢。強制解鎖時保證機構非正常工作時的一種安全保護,對機構沖擊也較大,一般情況下不會出現。

圖7 強制解鎖彈簧位移圖

4 試驗驗證

為了驗證ADAMS的仿真結果,進行了該燃氣解鎖機構的推力臺試驗、無控彈試驗。

4.1 推力臺試驗

該試驗主要是驗證燃氣解鎖機構在燃氣推力作用下能否順利解鎖,試驗布局如圖8所示。

圖8 燃氣解鎖推力臺試驗布局

試驗結果表明機構在發動機燃氣流作用下能順利解鎖,如圖9所示。

圖9 燃氣解鎖試驗結果圖

4.2 無控飛行試驗

為了進一步驗證燃氣解鎖機構在導彈發射狀態下的正常解鎖與強制解鎖功能,基于某型四聯裝發射裝置燃氣解鎖機構進行了無控飛行試驗。

試驗在試驗臺架上進行了機構正常解鎖功能驗證和強制解鎖功能驗證,如圖10所示。

圖10 燃氣解鎖無控彈試驗圖

圖10中,左側是正常解鎖試驗,右側是強制解鎖試驗。強制解鎖試驗時,需將推力柄設置在不受發動機燃氣流作用的位置,如圖11所示。

圖11 強制解鎖操作示意圖

試驗結果表明,在發動機的常溫狀態下,發現燃氣解鎖機構均能順利進行正常解鎖、強制解鎖,機構功能完整,結構可行。

5 結論

運用ADAMS軟件對燃氣解鎖機構進行建模與仿真,分析機構解鎖與導彈分離的運動情況,證明機構具有以下優點:燃氣解鎖區別于以往不同的解鎖方式,對發射裝置的沖擊較小,同時又有機構異常工作情況下的強制解鎖方式,保證機構的解鎖功能,具有穩定可靠的特點。

通過后續推力臺試驗、簡裝藥無控彈試驗的驗證得到,該燃氣解鎖機構在發動機尾流場作用下能夠順利進行正常解鎖與強制解鎖,證明解鎖機構設計方案實際可行。

[1] 曹燎原, 董志航, 謝軍虎, 等. 發射裝置鎖制器開鎖力力值穩定性分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2013, 33(3): 181-184.

[2] 王勇, 湯軍社, 杜小淵, 等. 彈射架的ADAMS和ANSYS聯合仿真 [J]. 機械制造, 2014, 52(11): 5-9.

[3] 付波. 越障式多功能重載拆裝機械設計及分析 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2013.

[4] 鄭建榮. ADAMS虛擬樣機技術入門與提高 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2001: 48-53.

[5] 孫緣. 基于ADAMS和ANSYS的起落架落震仿真與強度優化設計 [D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012.

[6] 蔣偉. 機械動力學分析 [M]. 北京: 中國傳媒大學出版社, 2005: 5-8.

Kinematics Simulation Analysis of Gas Release Mechanism of A Certain Launcher Based on ADAMS

ZHANG Deng,XU Hongbin,ZHANG Dazhi,LI Duansong,HAN Fei

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In order to research the release function of a new type of gas release mechanism based on a certain launcher, base on virtual prototype software ADAMS, a simulation model of the gas release mechanism is established in this paper. Through the kinematics simulation analysis of the release working process of the mechanism under different conditions, development of a principle prototype of the mechanism and related experiment, it is determined that the mechanism releases smoothly and is fully functional, and the release motion principles of the mechanism and the feasibility of the design scheme are verified.

gas release mechanism; ADAMS; kinematics analysis; test verification

張登(1991-),男,湖南類底人,碩士研究生,研究方向:機械設計與分析。

TJ768.2

A

*2015-12-31