半掛車四聯裝發射平臺動力學仿真及研究*

王勃漫，姜 毅，楊 樺

(北京理工大學宇航學院， 北京 100081)

0 引言

半掛車發射平臺具有支承、儲存、運輸和發射導彈功能，其優點為：可以改善對路面壓力及對路面的破壞程度，改善牽引車發射架整車的行駛性能，有利于改善半掛式發射架的穩定性，能提供較大的上裝結構布置空間等。

研究半掛車四聯裝發射平臺的影響因素可以提高研究人員對發射動態響應規律的認識，有助于發射系統的優化設計[1-4]。應用多體系統動力學理論解決火箭導彈發射動力學問題是一種非常有效的方法，國內外學者做了大量的工作，并取得了豐富成果[5-8]。

文中基于多體系統動力學理論，建立完整的半掛車四聯裝發射平臺剛柔耦合模型，考慮燃氣流沖擊對發射過程的影響，將發射箱進行柔性化處理，對模型進行動力學分析。分析導彈不同高度燃氣流對發射平臺的影響；分析不同回轉角度、不同路面坡度對發射平臺的動力學響應。

1 車載導彈箱式傾斜發射動力學模型設置

1.1 多體系統動力學建模理論

以系統中每一個物體為單元，建立固結在剛體上的坐標系，剛體的位置相對于一個公共參考基準進行定義，其廣義坐標統一為剛體坐標系基點的笛卡爾坐標系與坐標系的方位坐標。單個物體位置坐標在三維系統中為6個。對于由N個剛體組成的系統，位置坐標陣q中的坐標個數為6N，由于鉸約束的存在，這些位置坐標不獨立。系統動力學模型的一般形式可表示為:

(1)

式中：Φ為位置坐標陣q的約束方程；Φq為約束方程的雅可比矩陣；λ為拉格朗日乘子。

1.2 半掛車四聯裝發射平臺模型

建立如圖1所示的半掛車發射動力學模型，模型包括發射車車架、車輪、轉臺、發射架、發射箱、導彈、調平油缸以及起豎油缸。發射箱為四聯裝發射箱，發射裝置可以通過轉臺回轉。發射箱模型如圖2所示，導彈和發射箱通過適配器-導軌連接，發射角度為37°。

圖1 半掛車四聯裝發射平臺模型

圖2 發射箱內部結構模型

1.3 導彈燃氣流計算條件設置

導彈在發射過程中燃氣流沖擊會對發射箱造成一定的擾動。分析導彈在箱內運動和箱外運動狀態下導彈燃氣射流的流場。計算參數如表1所示。

表1 燃氣流計算參數

計算域上的各壁面為絕熱壁面。在計算過程中，對發射箱的壁面壓強進行積分，得出發射箱在此時刻受到的力和力矩，積分導彈表面的受力以獲得導彈的推力。

1.4 半掛車四聯裝發射平臺動力學模型設置

如圖3所示，坐標系定義如下：x方向為前進方向、z方向為重力方向、y方向由右手定則確定。

圖3 動力學模型設置

發射車的懸掛系統采用彈簧阻尼器模擬，起豎油缸與調平油缸采用彈簧阻尼器模擬，輪胎與地面設置接觸，適配器導軌之間設置接觸。轉臺、發射箱、起豎油缸間設置旋轉副。在此模型中，考慮發射箱、導軌的柔性變形，將發射箱、導軌的模態文件輸出至動力學模型中。

車輪沿x軸負方向編號分別為輪1、輪2和輪3。發射號位為從前往后看發射箱的右下角號位。動力學仿真時間為22 s，模型在1～20 s為靜平衡階段，推力在第20 s時開始作用。發射彈固定在發射箱中，當推力達到剪切銷拉斷值時，認為剪切銷拉斷，解除發射彈和發射箱間的固定副，導彈開始發射。

2 計算結果與分析

2.1 導彈燃氣流計算結果及分析

模型燃氣流計算得出的導彈推力如圖4所示，將推力曲線加載到動力學模型中。

圖4 導彈推力

導彈在箱內運動2 m、4 m、6 m和箱外運動2 m、5 m、7 m、9 m狀態下的壓強云圖如圖5所示。可以看出導彈在箱內運動時對發射箱上的壓強很小，基本不產生作用。導彈出箱后燃氣流對發射箱上的壓強先增大后減小，對發射箱產生較大的影響。

圖5 壓強云圖

由于導彈在箱內運動時壓強很小，基本不產生作用，所以忽略導彈在箱內運動時燃氣流影響。對箱外運動2 m、5 m、7 m、9 m時發射箱的壁面壓強進行積分，表2為發射箱在箱外運動時受到的力和力矩。發射箱所受的力和力矩在7 m時最大。

表2 發射箱在箱外運動時受到的力和力矩

將得到的力和力矩通過插值的方式輸入至動力學模型，力矩中心為轉臺回轉中心,分析導彈燃氣流對發射平臺的影響。

2.2 不同回轉角度下計算結果及分析

通過改變不同的回轉角度，根據動力學仿真計算，分析其對導彈姿態的影響，以及對發射車產生的振動影響。將轉臺、起豎油缸、發射架、發射箱繞z軸負方向進行回轉，回轉中心為轉臺的回轉中心，回轉分別設置為0°、15°和30°。不同回轉角度的仿真結果如表3、圖6所示。

圖6 不同回轉角度下仿真結果

表3 不同回轉角度下仿真結果

通過仿真結果可以得出，回轉角度越大，車架x方向位移越小、y方向位移越大，這是由于回轉導致整個發射平臺的質心位置變化所產生的，車架所受x方向的振動隨回轉角度變化轉換為y方向的振動。回轉角度越大，調平油缸、輪1、輪2和輪3受力越大，說明回轉角度越大對發射平臺的影響越大。

由于導彈和發射箱通過適配器-導軌連接，這種連接方式較滑塊-滑軌連接穩定，所以不同回轉角度下導彈的出箱姿態無較大變化，起豎油缸受力無明顯區別，最大受力隨回轉角度增大變小。

2.3 不同路面坡度下計算結果及分析

通過改變不同的路面角度，根據動力學仿真計算，分析其對導彈姿態的影響，以及對發射車產生的振動影響。路面坡度定義為路面繞y軸正方向角度，分別設置為-1°、-0.5°、0°、0.5°和1°。不同路面坡度的仿真結果如表4、圖7所示。

圖7 不同路面坡度下仿真結果

表4 不同路面坡度下仿真結果

通過仿真結果可以得出，路面坡度越大，車架x方向位移越大、y方向位移無明顯變化，這是由于發射平臺的重量集中在發射箱位置，路面坡度越大，發射平臺的重力影響越大。路面坡度越大，調平油缸受力越小，輪1、輪2和輪3受力越大，說明路面坡度越大，對發射平臺的影響越集中在平臺后方，對發射平臺的影響越大。仿真得出，當路面坡度為29°時，調平油缸在發射過程中受力為0，此時有翻車的危險。

由于導彈和發射箱通過適配器-導軌連接，這種連接方式較滑塊-滑軌連接穩定，所以不同路面坡度下導彈的出箱姿態無較大變化。起豎油缸受力隨路面坡度增大變小，這是由于發射平臺的重量集中在發射箱位置，路面坡度越大，對發射平臺的影響越集中在平臺后方，起豎油缸受力相對變小。

3 結論

建立了完整的半掛車四聯裝發射平臺剛柔耦合模型，考慮燃氣流沖擊對發射過程的影響，將發射箱進行柔性化處理，對模型進行動力學分析。分析導彈不同高度燃氣流對發射平臺的影響，分析不同回轉角度、不同路面坡度對發射平臺的動力學響應。分析表明：導彈在箱內運動時對發射箱上的壓強很小，基本不產生作用；導彈出箱后燃氣流對發射箱上的壓強先增大后減小，對發射箱產生較大的影響；不同回轉角度、不同路面坡度對導彈出箱姿態影響較小；回轉角度越大、路面坡度越大對發射平臺影響越大。路面坡度過大時，發射平臺有翻車的危險。