電纜網(wǎng)敷設(shè)對(duì)小口徑制導(dǎo)彈藥質(zhì)量特性參數(shù)的影響研究

李文昊，卞程飛，李 倩，王 沖，廖天鶴，應(yīng)嘉奇

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

導(dǎo)彈作為一種典型的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，彈上電纜網(wǎng)的敷設(shè)是決定產(chǎn)品性能和質(zhì)量的一個(gè)重要因素。中小口徑常規(guī)導(dǎo)彈因其結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部空間狹小而產(chǎn)生艙內(nèi)電纜敷設(shè)難題，同時(shí)，制導(dǎo)武器小型化和集成化趨勢(shì)更是對(duì)電纜敷設(shè)技術(shù)提出較大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于中大型彈箭產(chǎn)品而言，由于其整體質(zhì)量較大，彈上電纜網(wǎng)的敷設(shè)方式對(duì)全彈質(zhì)量、質(zhì)偏等質(zhì)量特性參數(shù)影響較小；而對(duì)于輕型小口徑制導(dǎo)彈藥而言，電纜網(wǎng)的質(zhì)量及分布方式對(duì)導(dǎo)彈整體的質(zhì)量特性參數(shù)具有較大影響，進(jìn)而影響導(dǎo)彈飛行的穩(wěn)定性。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于電纜網(wǎng)敷設(shè)方面的研究相對(duì)較多，主要包括敷設(shè)路徑自主規(guī)劃[1]、電纜模型構(gòu)建及仿真方法研究[2-8]、電纜布局優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-10]、電纜網(wǎng)輕小型化設(shè)計(jì)研究[11-12]等方面。而在彈體質(zhì)量特性參數(shù)方面，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在研究測(cè)量方法[13-14]和設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)[15-17]方面，對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)的因素研究較少，尚無(wú)關(guān)于電纜敷設(shè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)影響研究的相關(guān)報(bào)道。

文中以某小型精確打擊導(dǎo)彈為研究對(duì)象，研究電纜網(wǎng)敷設(shè)對(duì)小口徑制導(dǎo)彈藥質(zhì)量特性參數(shù)的影響規(guī)律，并對(duì)彈上電纜網(wǎng)敷設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 建模

以某小型精確打擊導(dǎo)彈為研究對(duì)象，利用NX三維設(shè)計(jì)軟件建立彈體結(jié)構(gòu)件、彈上部件及電連接器和彈上電纜網(wǎng)等彈上零部件模型，全彈三維模型如圖1所示。

圖1 彈體三維模型示意圖

模型仿真和實(shí)測(cè)得到的未敷設(shè)電纜前彈體的質(zhì)量特性參數(shù)如表1所示，可以看出，未敷設(shè)電纜前，實(shí)測(cè)與三維仿真模型初始質(zhì)量特性參數(shù)基本一致，驗(yàn)證了三維仿真模型的有效性。

表1 未敷設(shè)電纜前彈體的質(zhì)量特性參數(shù)

2 分析與優(yōu)化

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，彈上電纜網(wǎng)主要由甲艙電纜網(wǎng)、乙艙電纜網(wǎng)和電纜丙3部分組成。其中，乙艙電纜網(wǎng)由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求及艙內(nèi)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需穿過(guò)某部件后進(jìn)行焊接，且過(guò)線孔已預(yù)留，因此電纜網(wǎng)在艙體內(nèi)部的走線位置基本確定。電纜丙為連接導(dǎo)彈甲艙和乙艙電氣系統(tǒng)的重要部件，目前已經(jīng)為成品電纜，走線方式唯一。因此文中主要對(duì)甲艙電纜網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)甲艙內(nèi)零部件位置的分布情況，甲艙電纜網(wǎng)在圖2所示A、B、C三個(gè)區(qū)域存在多種走線方案。

圖2 甲艙及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，各個(gè)橫截面圖中的“×”均對(duì)應(yīng)該處可供選擇的走線位置，分別為：A處的a1、a2、a3，B處的b1、b2、b3、b4、b5及C處的c1、c2、c3、c4、c5，按排列組合原理可知，共計(jì)走線方式75種。

圖3 各區(qū)域橫截面及其走線位置示意圖(從前向后看)

經(jīng)分析，A處的3個(gè)位置中a1距離部件2位置最近，走線距離最短，為最佳走線位置，故A處應(yīng)優(yōu)先考慮a1位；B處的5個(gè)位置中，b2、b3處與艙壁間間隙較小，而b5處部件1與部件2間間隙較小，考慮線纜束的外徑約束，故B處實(shí)際最佳走線位置為b1和b4；C處的5個(gè)走線位置對(duì)稱且空間充足，故此5種走線方案均可考慮。因此，儀器艙電纜網(wǎng)敷設(shè)方案如表2所示。

表2 儀器艙電纜網(wǎng)敷設(shè)方案

根據(jù)表2中所列不同的走線方案，在UG/Routing Electrical電氣管線布置模塊中進(jìn)行電纜網(wǎng)敷設(shè)路徑設(shè)置，形成三維電纜網(wǎng)敷設(shè)模型后，利用“測(cè)量體”功能對(duì)全彈仿真模型進(jìn)行質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量，獲得初始無(wú)線束狀態(tài)(方案0)和10種不同走線方案的質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏(含角度)、極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化趨勢(shì)如圖4～圖8所示。

圖4 電纜敷設(shè)對(duì)彈體質(zhì)量的影響

圖5 電纜敷設(shè)對(duì)彈體質(zhì)心的影響

圖6 電纜敷設(shè)對(duì)彈體質(zhì)偏及質(zhì)心側(cè)偏角的影響

圖7 電纜敷設(shè)對(duì)彈體極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響

圖8 電纜敷設(shè)對(duì)彈體赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響

由圖4可以看出，敷設(shè)電纜后彈體總重增加了約110 g，不同電纜敷設(shè)方案之間彈體總質(zhì)量變化不明顯，這是由于導(dǎo)彈本身體積較小，不同走線方案線束總體用料區(qū)別不大；對(duì)比方案1～方案6，方案6較方案1，導(dǎo)線長(zhǎng)度增長(zhǎng)，重量增大。

由圖5可以看出，敷設(shè)電纜后全彈質(zhì)心距彈頭向后偏移了約0.8 mm，偏移量不大，說(shuō)明電纜質(zhì)量沿彈體周向分布基本均勻；對(duì)比方案1～方案6，由于方案6導(dǎo)線需繞到部件2下端過(guò)線孔，因此較方案1，導(dǎo)線長(zhǎng)度增長(zhǎng)，重量增大，且多余重量集中在彈體質(zhì)心前側(cè)，因此方案6較方案1質(zhì)心靠前。

由圖6可以看出，敷設(shè)電纜后不同方案間全彈質(zhì)偏及質(zhì)心側(cè)偏角均有顯著變化，其中方案6質(zhì)偏最小為0.547 7 mm，較初始無(wú)線束狀態(tài)全彈質(zhì)偏減小了3.4%，質(zhì)心側(cè)偏角變化了21%；分別對(duì)比方案1～方案5和方案6～方案10可以看出，隨著C處走線位置(從前向后看)由彈體左下方向彈體右下方移動(dòng)時(shí)，全彈質(zhì)偏一致呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明彈體右下方質(zhì)量更大，配重時(shí)應(yīng)選擇彈體左下方位。

綜合圖4～圖6，對(duì)比方案1、6，2、7，3、8，4、9和5、10可以看出B處走線位置的變動(dòng)對(duì)總質(zhì)量、全彈質(zhì)量和質(zhì)偏及質(zhì)心側(cè)偏角較C處都有較大影響，這是由于B處線束外徑較C處大，因而質(zhì)量更大。

綜合圖4、圖7和圖8可以看出，敷設(shè)后全彈極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加約100 kg·mm2，赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加約5 000 kg·mm2，整體而言變化不大，且不同方案間極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與不同方案間質(zhì)量的變化趨勢(shì)基本一致。

從輕量化角度考慮，應(yīng)選取彈體總質(zhì)量較小的電纜敷設(shè)方案；但另一方面，對(duì)于小口徑制導(dǎo)彈藥，減小質(zhì)偏可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏心，減少主動(dòng)段的擾動(dòng)，增加彈體穩(wěn)定性，故將單位質(zhì)量上的線束產(chǎn)生的質(zhì)偏I(xiàn)作為評(píng)判電纜敷設(shè)方案優(yōu)劣的依據(jù)，即

(1)

式中：Cd為質(zhì)偏；Mi為不同方案對(duì)應(yīng)的彈體總質(zhì)量；M0為未敷設(shè)電纜前的彈體總質(zhì)量。

I值越小，說(shuō)明單位質(zhì)量線束產(chǎn)生的質(zhì)偏越小，即在彈體質(zhì)量一定的情況下，彈體質(zhì)偏越小，彈體飛行越穩(wěn)定。反之，當(dāng)I值較大，說(shuō)明彈體飛行穩(wěn)定性較差。

圖9所示為不同方案I值的曲線圖，從圖中可以看出，方案6的I值最小，使用此走線方案，能夠在較小的彈體質(zhì)量下獲得最小的質(zhì)偏特性，從而提升導(dǎo)彈飛行的穩(wěn)定性，因此選擇方案6為最優(yōu)電纜網(wǎng)敷設(shè)方案。

圖9 不同方案I值曲線圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)最優(yōu)電纜網(wǎng)的布局及成型尺寸，結(jié)合優(yōu)化后的工藝流程及配重方案，完成樣機(jī)制作并進(jìn)行質(zhì)量特性參數(shù)檢測(cè)，如圖10所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 質(zhì)量特性參數(shù)檢測(cè)

表3 質(zhì)量特性參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前原始數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和優(yōu)化后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出仿真數(shù)據(jù)與優(yōu)化后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，優(yōu)化后彈體實(shí)測(cè)質(zhì)量較優(yōu)化前原始狀態(tài)減少245 g，質(zhì)偏減少0.061 mm，滿足設(shè)計(jì)要求(優(yōu)化前質(zhì)偏不滿足設(shè)計(jì)要求)。

4 結(jié)論

獲取了彈上電纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，明確了電纜敷設(shè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、質(zhì)心及質(zhì)偏等質(zhì)量特性參數(shù)的影響，為彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)：

1)敷設(shè)電纜后彈體增加了約110 g，不同電纜敷設(shè)方案之間彈體總質(zhì)量變化不明顯；

2)敷設(shè)電纜后全彈質(zhì)心距彈頭向后偏移了約0.8 mm，偏移量不大，說(shuō)明電纜質(zhì)量沿彈體周向分布基本均勻；

3)敷設(shè)電纜后不同方案間全彈質(zhì)偏及質(zhì)心側(cè)偏角均有顯著變化，其中質(zhì)偏最小為0.547 7 mm，較初始無(wú)線束狀態(tài)全彈質(zhì)偏減小了3.4%，質(zhì)心側(cè)偏角變化了21%；

4)隨著C處走線位置(從前向后看)由彈體左下方向彈體右下方移動(dòng)時(shí)，全彈質(zhì)偏一致呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明彈體右下方質(zhì)量更大，配重時(shí)應(yīng)選擇彈體左下方位；

5)B處走線位置的變動(dòng)對(duì)總質(zhì)量、全彈質(zhì)量和質(zhì)偏及質(zhì)心側(cè)偏角較C處都有較大影響；

6)敷設(shè)全彈極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加約100 kg·mm2，赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加約5 000 kg·mm2，不同方案間極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與不同方案間質(zhì)量的變化趨勢(shì)基本一致。