基于ADAMS的彈載設(shè)備外彈道參數(shù)仿真

閆 松,馬鐵華,沈大偉,裴東興

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

在我國射擊試驗中多次出現(xiàn)相關(guān)引信早炸、瞎火現(xiàn)象,由于缺乏引信等彈載設(shè)備的模擬試驗和測試手段,所以難以準(zhǔn)確判斷早炸、瞎火的原因。了解并掌握引信等彈載設(shè)備在飛行過程中的運動特性，保證它們在飛行過程中的正常運行顯得極其重要[1]。

以美國為代表的許多發(fā)達國家十分重視研究彈載設(shè)備運動模擬仿真技術(shù)，并且最近幾年取得了很大的進步。在1980年美國阿伯汀靶場彈道研究所就開始研究彈丸角運動仿真設(shè)備，并且針對其中一型號炮彈研制出能夠準(zhǔn)確模擬出原尺寸的彈丸角運動陀螺模擬裝置。這種物理仿真技術(shù)也被俄羅斯廣泛應(yīng)用在彈載設(shè)備的設(shè)計中，研制出多種類型炮彈的彈載設(shè)備和控制設(shè)備仿真實驗平臺，用于測試研究這些設(shè)備隨彈丸在復(fù)雜飛行環(huán)境中自轉(zhuǎn)、章動、進動的運動狀態(tài)，但是其測試成本很高。

我國在20世紀(jì)80年代才開始系統(tǒng)化地研究彈載設(shè)備運動仿真技術(shù)，國內(nèi)直到上世紀(jì)九十年代末才開始研制旋轉(zhuǎn)彈丸角運動模擬裝置,由南京理工大學(xué)芮筱亭教授領(lǐng)導(dǎo)的發(fā)射動力學(xué)課題組在國內(nèi)首次建成了用于模擬高速旋轉(zhuǎn)彈丸彈道環(huán)境的高速陀螺模擬裝置,用于研究引信等彈載設(shè)備運動的動態(tài)特性，廣泛引用在多種彈載設(shè)備的故障分析中[2]，但是后期數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。針對上述問題，提出了基于ADAMS的彈載設(shè)備外彈道參數(shù)仿真的方法。

1 彈載設(shè)備外彈道運動學(xué)分析

由于彈載設(shè)備是安裝于彈丸內(nèi)的，通過分析彈丸在外彈道的運動規(guī)律來獲得彈載設(shè)備的外彈道運動特性。彈丸外彈道的運動類似于高速陀螺運動，該運動可以分解為三個自由度的角運動，分別為自轉(zhuǎn)、進動與章動運動[3-4]，彈丸自轉(zhuǎn)角速度為ωs，繞彈軸的轉(zhuǎn)動慣量為Is，角動量為Ls，彈道傾角為θ，彈丸進動角速度ζ為:

(1)

1.1 彈丸飛行軌跡分析

在笛卡爾坐標(biāo)系中，如圖1所示，當(dāng)彈丸依次繞x軸和y軸轉(zhuǎn)過微小角度θ后，在各坐標(biāo)軸角動量分量為：

(2)

(3)

將各對應(yīng)分量進行矢量疊加來得到彈丸運動角動量在各坐標(biāo)軸下的投影為：

(4)

將式(4)的三個分式分別使用角動量定理后，再分別進行積分得：

(5)

結(jié)果表明彈丸軸線周期性地上下擺動，以一條擺線在空間描繪出彈丸章動運動，也得到了彈丸軸線端點的運動軌跡[5-6]，因為彈載設(shè)備是放置在彈丸的頭部彈艙內(nèi)，所以彈載設(shè)備的運動軌跡與彈丸的運動軌跡是一致的，均為梅花形擺線[7]，如圖2所示。

1.2 彈丸外彈道運動方程

彈丸在外彈道的姿態(tài)運動參數(shù)是由攻角方程來描述的[8]，彈丸攻角方程為：

(6)

齊次解為：

(7)

2 彈載設(shè)備運動模型建立

基于ADAMS的彈載設(shè)備外彈道參數(shù)仿真的方法,首先建立彈載設(shè)備外彈道運動模型，彈載設(shè)備外彈道運動仿真模型由機座，章動運動模型，進動運動模型以及自轉(zhuǎn)運動模型五部分組成，從而來模擬實現(xiàn)彈載設(shè)備在外彈道三個自由度的角運動。

機座是整個運動模型的搭載運行平臺，在章動運動模型中，將章動電機放置于傳動箱內(nèi)，由軸承將動力傳遞給可調(diào)節(jié)偏心距的法蘭盤，通過球鉸大連桿與法蘭盤的偏心連接，擁有三個自由度，偏心位置可以根據(jù)具體模擬參數(shù)進行調(diào)整。在進動運動模型中，將進動電機放置于模擬彈丸尾部，用只有一個自由度的連接桿一頭與小圓盤剛性連接，另外一頭與大連桿連接。自轉(zhuǎn)運動模型是通過將自轉(zhuǎn)電機放置于模擬彈丸頭部來實現(xiàn)。模擬彈丸在支點O處，通過十字萬向節(jié)連接，可以實現(xiàn)繞支點自身旋轉(zhuǎn)，將彈載設(shè)備置于儀器艙內(nèi)，最后在各個電機輸出動力后，來實現(xiàn)彈載設(shè)備外彈道運動模擬，如圖3所示。

3 ADAMS運動仿真實驗

為了得到彈載設(shè)備在外彈道運動的規(guī)律，將建立好的三維模型導(dǎo)入ADAMS動力學(xué)仿真環(huán)境，在仿真之前，需要先對模型設(shè)置運動副、以及添加約束和驅(qū)動。將快圓電機，慢圓電機和自轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速分別設(shè)為2 329 r/min、291 r/min、25 210 r/min。經(jīng)過后處理得到彈載質(zhì)心在Y平面位移曲線如圖5所示、Z平面位移曲線如圖6所示，以及矢量疊加后在YZ平面上的投影軌跡曲線如圖7所示。

因自轉(zhuǎn)電機對曲線影響較小，自轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速保持不變，當(dāng)快圓電機和慢圓電機轉(zhuǎn)速比為8∶1時，得到Y(jié)Z平面上的投影軌跡曲線如圖(7a)所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速比為6∶1時，慢圓電機轉(zhuǎn)速為388 r/min，得到Y(jié)Z平面上的投影軌跡曲線如圖(7b)所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速比為5∶1時，慢圓電機轉(zhuǎn)速為466 r/min，得到Y(jié)Z平面上的投影軌跡曲線如圖(7c)所示。

彈載設(shè)備在外彈道的加速度值是非常重要的參數(shù)，彈載質(zhì)心合成加速度曲線如圖8所示，軸向加速度曲線如圖9所示，y軸加速度曲線如圖10所示，z軸加速度曲線如圖11所示。

圖9為相同章動不同進動下得到的軸向加速度曲線，圖(9a)中軸向加速度為25 m/s2,圖(9b)中軸向加速度為22.5 m/s2,進動由291 r/min變化到466 r/min時，軸向加速度僅變化2.5 m/s2，而從圖10和圖11中可以看出y軸和z軸幾乎沒有變化，因此彈載設(shè)備在外彈道運動過程中受章動影響較大，受進動影響較小。

4 結(jié)論

本文提出了基于ADAMS的彈載設(shè)備外彈道參數(shù)仿真的方法。該方法通過建立彈載設(shè)備外彈道運動模型，并利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對模型進行分析，得到彈載設(shè)備外彈道的運動軌跡、加速度曲線，再現(xiàn)了彈載設(shè)備在外彈道環(huán)境下的運動規(guī)律。章動和進動的轉(zhuǎn)速比影響著彈載設(shè)備在外彈道的運動軌跡，其中，彈載設(shè)備受章動影響較大。仿真實驗結(jié)果表明，通過實驗得出的彈載設(shè)備在外彈道的運動規(guī)律與理論結(jié)果一致，表明該方法可以實現(xiàn)對彈載設(shè)備外彈道參數(shù)的測試，降低了測試成本以及避免了后期處理數(shù)據(jù)較復(fù)雜的問題，為彈載設(shè)備的設(shè)計、研制、故障檢測與分析提供了重要依據(jù)和實驗手段。

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