基于Adams的某整流罩分離影響因素仿真分析*

王博哲，吳競(jìng)峰，桑希軍，陳 偉

(中國(guó)航天科工集團(tuán)第九總體設(shè)計(jì)部，武漢 430040)

0 引言

整流罩是導(dǎo)彈在稠密大氣層飛行過(guò)程中，保護(hù)有效載荷不受氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱及聲振等有害環(huán)境影響的關(guān)鍵部件[1]。在有效載荷無(wú)需保護(hù)時(shí)，必須打開(kāi)整流罩，以便有效載荷正常工作。為了實(shí)現(xiàn)整流罩與彈體能夠安全分離，保證兩者在分離過(guò)程中不發(fā)生碰撞，建立有效的力學(xué)模型并通過(guò)在計(jì)算機(jī)上的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真則是解決分離問(wèn)題的有效途徑[2]。

文中采用Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件，在考慮了分離前彈體(包括整流罩)殘余角速度的影響條件下，對(duì)某型導(dǎo)彈整流罩的分離過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真研究。

1 整流罩分離系統(tǒng)介紹

整流罩采用整體軸向分離方案[3]，連接解鎖裝置采用爆炸螺栓，分離沖量裝置為彈簧作動(dòng)器。分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中4個(gè)彈簧作動(dòng)器沿圓周方向均勻分布。

仿真的初始條件定義如下:

1)分離系統(tǒng)相關(guān)對(duì)象的質(zhì)量特性參數(shù)如表1所示。

圖1 整流罩及分離體結(jié)構(gòu)圖

表1 分離系統(tǒng)質(zhì)量質(zhì)心參數(shù)表

2)初步選用分離彈簧剛度為50.8N/mm，彈簧行程49mm，因此彈簧壓縮后的力為2489.2N。仿真分析中彈簧剛度較大，阻尼按剛度的1‰考慮[4]。彈簧的剛度偏差(彈簧圈數(shù)大于10)如表2所示[5]。

表2 彈簧剛度極限偏差表

3)彈簧作動(dòng)器在仿真坐標(biāo)系中的布置位于象限偏45°方向上。

圖2 彈簧作動(dòng)器的布置

4)爆炸螺栓解鎖同步性一般要求為0.2ms，為了可靠，本文分析中采用0.5ms。

5)分離過(guò)程中整流罩內(nèi)端框最可能與分離體發(fā)生碰撞。在仿真過(guò)程中給出整流罩內(nèi)端框靠近端面的兩點(diǎn)(位置如圖1所示)qzh_shang(0，520.5)和 qzh_xia(0，－520.5)的軌跡，并分別給出這兩點(diǎn)到分離體軸線的距離。

2 仿真模型的建立

仿真模型包括整流罩、彈簧作動(dòng)器組件、分離體，這些模型是采用簡(jiǎn)化的方式在 Pro/E中建立，利用Pro/E和MSC Adams間的接口軟件，定義剛體和關(guān)鍵Marker點(diǎn)，定義好的模型導(dǎo)入 Adams，在 Adams中定義約束、力以及初速度等邊界條件。添加的邊界條件如表3所示。

表3 剛體間的約束關(guān)系

主要仿真步驟如下:

1)在添加表3中所有約束和力的情況下仿真1s;

2)使表中序號(hào)4、序號(hào)5、序號(hào)6的約束和力失效;

3)繼續(xù)小步長(zhǎng)仿真0.5s，400步長(zhǎng);

4)加大步長(zhǎng)，仿真至約束(結(jié)束時(shí)間 3s，步長(zhǎng)150)。

其中，通過(guò)控制序號(hào)6中4個(gè)固定副的失效時(shí)間模擬解鎖不同步性。通過(guò)修改序號(hào)2中spring的參數(shù)實(shí)現(xiàn)彈簧剛度偏差仿真;控制序號(hào)6中4個(gè)固定副的失效數(shù)量來(lái)模擬某彈簧失效。

3 整流罩分離相關(guān)因素仿真分析

仿真時(shí)把整流罩和分離體固定為一個(gè)整體，并在總質(zhì)心處加1°/s的轉(zhuǎn)動(dòng)，仿真1s后分離，再繼續(xù)仿真2s。下文提到的時(shí)間均為仿真時(shí)間，實(shí)際分離時(shí)間應(yīng)減去1s。

3.1 解鎖不同步條件下的分離過(guò)程仿真分析

爆炸螺栓解鎖不同步仿真分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4慢0.5ms，分析結(jié)果為 man14;第二種情況是彈簧作動(dòng)器 2、3慢 0.5ms，分析結(jié)果為man23。為了便于比較，對(duì)解鎖同步的情況進(jìn)行了仿真，分析結(jié)果為biaozhun。

仿真分析結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 沿X軸方向的相對(duì)分離速度和位移

圖4 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖5 整流罩內(nèi)框兩點(diǎn)的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖3～圖5可以得出如下結(jié)論:

1)由圖3知解鎖不同步對(duì)相對(duì)分離速度和位移沒(méi)有影響;

2)由圖4知，解鎖不同步使整流罩的姿態(tài)角速率最大為 2.0°/s，分離體的姿態(tài)角速率最大為1.0016°/s;

3)如圖5所示，解鎖不同步對(duì)軌跡和距離影響較小。

3.2 彈簧剛度偏差條件下的分離過(guò)程仿真分析

彈簧剛度存在偏差時(shí)，分離姿態(tài)的最壞情況是殘余角速率與由于剛度偏差引起的姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)疊加。仿真分三種工況，分別按一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)彈簧的剛度偏差。每種工況分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4剛度偏大，彈簧2、3剛度偏小，仿真結(jié)果為da14_x，其中x為1、2或3，表示幾級(jí)彈簧;第二種情況是彈簧1、4剛度偏小，彈簧2、3剛度偏大，仿真結(jié)果為da23_x。為了便于比較，對(duì)剛度不存在偏差的情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果為biaozhun。仿真分析結(jié)果如圖6～圖8。

圖6 沿X軸方向的相對(duì)分離速度和位移

圖7 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖8 整流罩內(nèi)框兩點(diǎn)的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖6～圖8可以得出如下結(jié)論:

1)由圖6知，剛度偏差對(duì)相對(duì)分離速度和位移影響較小，沿X軸的相對(duì)分離速度為2.45m/s;

2)如圖7所示，彈簧按一、二、三級(jí)，整流罩姿態(tài)角速率最大分別為 3.6°/s、6.2°/s、8.7°/s，分離體姿態(tài)角速率最大分別為 1.005°/s、1.010°/s、1.015°/s;

3)如圖8所示，彈簧剛度偏差對(duì)距離和軌跡影響較大。

3.3 彈簧失效條件下的分離過(guò)程仿真分析

在某彈簧失效條件下，分離姿態(tài)的最壞情況是殘余角速率與由于某彈簧失效引起的姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)疊加。為了使兩者最大疊加，將模型整體沿軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，使彈簧位于仿真坐標(biāo)系象限上。

仿真分兩種情況，第一種是如圖2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后的彈簧1失效，分析結(jié)果為shixiao1;第二種情況是彈簧3失效，分析結(jié)果為shixiao3。為了便于比較，對(duì)彈簧正常工作的情況進(jìn)行了仿真，分析結(jié)果為biaozhun。仿真分析結(jié)果如圖9～圖11。

圖9 沿X軸方向的相對(duì)分離速度和位移

圖10 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖11 整流罩內(nèi)框兩點(diǎn)的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖9～圖11可以得出如下結(jié)論:

1)由圖9知某彈簧失效對(duì)相對(duì)分離速度和位移影響較大，沿X軸的相對(duì)分離速度為2.1m/s;

2)由圖10知，因彈簧失效使整流罩角速率最大為 40.2°/s，分離體姿態(tài)角速率最大為 1.08°/s;

3)由圖11知某彈簧失效對(duì)距離和軌跡影響很大。

綜合上述三種影響因素的仿真分析，在表4中給出了各種工況下整流罩及分離體沿X軸方向相對(duì)分離位移為1000mm時(shí)的時(shí)間和整流罩內(nèi)框兩點(diǎn)距分離體軸線的最小距離，同時(shí)給出了相對(duì)分離速度和整流罩姿態(tài)角速率。

表4 仿真結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

文中應(yīng)用Adams軟件對(duì)整流罩在解鎖不同步、彈簧剛度偏差、彈簧失效三類(lèi)影響因素下的分離過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)爆炸螺栓解鎖同步性對(duì)分離姿態(tài)的影響較小，不會(huì)影響分離;

2)彈簧剛度偏差對(duì)分離姿態(tài)影響較大，在選取彈簧時(shí)應(yīng)選取高等級(jí)彈簧，并進(jìn)行彈簧剛度篩選;

3)彈簧失效將導(dǎo)致整流罩不能正常分離。

[1]徐永成，茍永杰，王石剛.某衛(wèi)星整流罩分離仿真分析[J].上海航天，2009(1):53－56.

[2]韓飛，雷義民，趙志軍.基于ADAMS的導(dǎo)彈分離技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(5):48 －50.

[3]龍樂(lè)豪.總體設(shè)計(jì)(中)[M].北京:中國(guó)宇航出版社，2005.

[4]MSC 公司.MSC.ADAMS basic full simulation package training guide[M/OL]. http://paws.kettering.edu/～amazzei/student_guide.pdf

[5]GB 1239.2－89冷卷圓柱螺旋壓縮彈簧技術(shù)條件[S].國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，1989.