導彈紅外熱源測試掛架機構(gòu)設計和研究

曹成銘，邱亞峰

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導彈紅外熱源測試掛架機構(gòu)設計和研究

曹成銘，邱亞峰

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京，210094）

以一種導彈紅外熱源測試掛架為研究對象，利用Proe建立了實體機構(gòu)模型并利用ANSYS分析了機構(gòu)的可靠性，首先介紹了掛架機構(gòu)運動的原理和結(jié)構(gòu)組成，然后利用workbench對機構(gòu)進行了沖擊響應的分析，最后通過軟件仿真動態(tài)特性并與解析解相比較擬合出滿足精度要求的運動函數(shù)。

紅外熱源；測試掛架；結(jié)構(gòu)設計；沖擊分析；運動仿真

0 引言

導彈是現(xiàn)代國防科技的重要組成部分，空空導彈是導彈家族中的重要分支?？湛諏椥阅艿臏y試和驗證在導彈研制過程中占有重要地位。追蹤紅外熱源還是目前大部分空空導彈捕捉目標的手段。紅外熱源測試就是測試在導彈接收到紅外熱源信號后，其內(nèi)部的傳感器工作運行情況。導彈測試掛架就是在導彈做測試時懸掛導彈的機構(gòu)。目前國內(nèi)大多數(shù)導彈測試時是固定掛載，這樣的掛架是固定的，設計簡單，受力不變[1-3]。但是為了更真實地模擬導彈在空中飛行姿態(tài)下的測試，需要設計能夠改變導彈姿態(tài)的測試掛架。其中有一種工況就是讓導彈在水平方向可以繞彈軸線旋轉(zhuǎn)90°。相比固定掛架，設計動態(tài)掛架需要分析掛架受力的多種因素，驗證掛架強度及沖擊強度與屈服應力的危險位置，并進行設計優(yōu)化以滿足性能指標參數(shù)。

1 機構(gòu)設計原理

1.1 技術(shù)指標

1）要求導彈在水平方向繞彈軸線0°～90°連續(xù)可調(diào)，如圖1所示，可以繞軸轉(zhuǎn)動角度，＝0°～90°，可定位鎖死；2）位置精度為0.5°；3）掛架水平偏轉(zhuǎn)機構(gòu)負載250kg后部沖擊10；4）掛架水平偏轉(zhuǎn)機構(gòu)變形量為2cm以下；5）除掛架與導彈連接，不得有其它裝置與導彈相連。掛架為實驗室原有設備，掛架和導彈通過幾何約束固定可以視為一個整體。

圖1 掛彈架和導彈鏈接示意圖

1.2 設計原理

其原理就是曲柄滑塊機構(gòu)如圖2，該機構(gòu)為平面機構(gòu)，滑塊1只能水平方向運動，滑塊2只能在弧形軌道里滑動，導彈與B桿固定。動力源推動滑塊1帶動A桿從而帶動滑塊2在圓形軌道里運動從而使B桿做繞鉸點C（即導彈橫截面圓心）做轉(zhuǎn)動[4-5]。

圖2 機構(gòu)運動原理圖

2 結(jié)構(gòu)設計

因為導彈較長，為了保證導彈轉(zhuǎn)動時的平衡，采用兩套曲柄滑塊機構(gòu)推動，如圖3，前后兩套機構(gòu)分別設置在導彈的1/3和2/3處。前后兩套機構(gòu)除了方位不同，組成結(jié)構(gòu)和運動原理都相同。如果使用兩個動力源推動可能會產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的扭矩，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞[6]。所以采用一個絲杠推動，利用橫桿將力轉(zhuǎn)化到兩個機構(gòu)。絲杠和橫桿是通過螺紋相連，橫桿端頭和A桿件上端通過銷連接，并通過軸承卡在水平軌道里。A桿件下端和B桿件上端通過銷連接通過軸承卡在弧形軌道里，桿件B和連接耳C以及導彈掛架都是用過螺栓固定，可視為一個整體。桿件E和軌道板固定，下端通過軸承卡在C上的弧形軌道。

從圖4可以看出在0°（圖(a)）和90°（圖(b)）兩個極限位置各個零件的位置。

3 瞬態(tài)沖擊載荷測試

3.1 半正弦沖擊響應計算方法

在導彈測試的過程中會在導彈的尾端給其一個推力模擬飛行時的發(fā)動機推力，相當于給導彈一個瞬時的沖擊，這個沖擊載荷會通過導彈作用到水平偏轉(zhuǎn)機構(gòu)上。沖擊對機構(gòu)有一個應力、應變的累積，所以沖擊對機構(gòu)的破壞更大，相對于這個沖擊是一個半正弦加速度激勵，最大的加速度在30，持續(xù)時間0.1s。在持續(xù)時間為的半正弦脈沖加速度、初始速度為0的條件下，理論公式如下：

1.軌道板 2.連接耳C 3.連接桿件E 4.曲柄桿件B 5.搖桿桿件A 6.推力橫梁 7.絲杠 8.掛彈架 9.導彈

(a)

(b)

圖4 機構(gòu)不同工況位置示意圖

Fig.4 Location of the parts of different work conditions

加速度公式[7]：

對加速度公式進行積分，得速度公式：

3.2 有限元仿真計算

在導入計算前必須將模型進行簡化，將一些倒角、臺階和圓孔去掉，可以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和效率。將整體模型導入workbench，導入后每個零件都是相對獨立，需要利用布爾運算對實體進行整合，重新定義接觸面。設置各個實體的材料屬性，各材料屬性見表1。

表1 材料屬性

由于該機構(gòu)形狀比較規(guī)則，可以利用實體單元劃分單元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。定義邊界條件：將上部軌道板設置為固定面，在導彈的后部加載半正弦的沖擊，利用采樣的方式在函數(shù)圖像上采集時間和對應的力，輸入workbench，計算求解[8-9]。

圖5 整體網(wǎng)格劃分圖

圖6為仿真計算結(jié)果的等效應變云圖，從分析結(jié)果可以看出掛架的最大應變出現(xiàn)在圖6的標記位置，為1.04mm（不包括導彈的形變）。圖7為等效應力云圖，從圖中可以看出：最大應力為87MPa，小于屈服強度355MPa，符合使用要求。

圖6 等效應變云圖

圖7 等效應力云圖

4 誤差分析

4.1 設計誤差分析

誤差的來源有兩個，一個是設計誤差，另一個是變形誤差。對于運動機構(gòu)來說，弄清楚各個部件之間的運動關(guān)系可以使控制更加精確。曲柄滑塊機構(gòu)的各個桿件的速度由桿件長度和相對位置決定，沒有統(tǒng)一的運動函數(shù)來表達其運動?？梢岳脀orkbench里面的Rigid Dynamics Analysis模塊進行求解。也可以利用解析法計算。

4.2 workbench運動模擬

由于Rigid Dynamics只是對運動關(guān)系的求解，所以不需要將整個模型導入，只需給出等比例的運動簡圖。雖然滑塊是源動件，但是其運動情況不知道。所以設曲柄2的角速度為已知量，角速度大小為0.31416rad/s。將計算數(shù)據(jù)導出繪成折線圖，如圖8所示。

圖8(a)顯示的是滑塊的位移與時間的關(guān)系（初始位置的位移為0）。圖8(b)顯示的是滑塊的速度和時間的關(guān)系。角速度設置為18°/s。5s時間正好運動90°，只取這一段時間的數(shù)據(jù)即可。位移和速度曲線相對比較平滑，說明該機構(gòu)的運動特性優(yōu)良，沒有較大的沖擊[10]。

圖8 數(shù)據(jù)處理折線圖

4.3 解析法計算運動特性

圖9為機構(gòu)運動簡圖，如圖所示滑塊只能沿水平方向運動，D3就是其位移：

式中：L4為滑塊距轉(zhuǎn)軸的偏心距離矢量，設計值617mm；L1為曲柄長度，設計值為500mm；L2為搖桿長度，設計值為450mm；L3為滑塊距轉(zhuǎn)軸的水平距離矢量。

由式(3)可以看出當（－45°≤≤45°）確定以后，根據(jù)具體位置關(guān)系和3的長度就可以確定。根據(jù)精度要求0.5°，對每隔0.5°取值，計算出3的值減去原來的3的值就是曲柄轉(zhuǎn)過0.5°，滑塊的位移。這樣一共可以采到180個點。機構(gòu)的精度主要和滑塊的位移有關(guān)，位移與時間的關(guān)系如圖10所示，通過Matlab擬合出一個位移函數(shù)。

滑塊速度擬合函數(shù)為：＝3.81－25.122－64.63

可以看出擬合的函數(shù)和workbench計算出的位移-時間曲線擬合度非常高，誤差控制在0.5mm內(nèi)，故該函數(shù)可以很好地為下一步電機控制提供參考。每隔0.5°取值，通過擬合分析，滿足掛架轉(zhuǎn)動精度0.5°的指標要求。

圖10 擬合函數(shù)曲線

4.4 變形誤差分析

機械結(jié)構(gòu)受力較大時，自身會有一定的變形，該變形也會導致誤差。該機構(gòu)的主要受力是導彈的重力和后部沖擊。后部沖擊是瞬間的，只要提供足夠的強度，對精度誤差影響不大。其主要變形誤差來自導彈重力導致的變形。在轉(zhuǎn)過90°以后，導彈的重力全部轉(zhuǎn)化成對連接耳的剪切力，剪切力對構(gòu)件的變形影響最大，因此對連接耳做受力分析。利用workbench中的Static Structural模塊進行仿真計算[11]。

連接耳的結(jié)構(gòu)和受到的剪切力如圖11所示。導彈的重力為3000N，取安全系數(shù)1.6?？偣布虞d5000N的力，兩個連接耳各2500N，面1設置為固定面，進行受力分析，可以得到等效應力圖。

從圖12(a)可以看出最大應變?yōu)?.6mm出現(xiàn)在鏈接耳端部位置。從圖12(b)最大應力為42MPa，出現(xiàn)在鏈接耳根部。連接耳距離彈軸線250mm，變形在2mm以內(nèi)即可滿足精度要求。最大應力42MPa，小于鋼的許用應力355MPa，滿足強度要求。

5 結(jié)果分析

在計算沖擊載荷的過程中，加載的沖擊的最大值為5000N，是實際所受沖擊的2倍，產(chǎn)生的最大應力為87MPa，小于鋼的許用應力355MPa，最大變形為1.4mm，0.5°的精度對應的許用變形為2mm，滿足精度要求。在靜力分析的過程中，掛架主要受到導彈的重力，為300kg，仿真過程中加載的靜載荷為5000N，是導彈重量的1.6倍，產(chǎn)生變形0.6mm，在精度范圍內(nèi)，最大應力為42MPa，小于鋼的許用應力355MPa。在計算過程中所有的螺栓連接都做了剛化處理，在實際情況中這些節(jié)點的受力更加復雜，這是強度仿真分析的不足之處。

圖11 有限元分析模型

(a)

(b)

圖12 有限元計算結(jié)果

Fig.12 The calculation results

運動仿真分析是以機構(gòu)設備沒有安裝誤差為前提的。在實際加工和安裝過程中定位肯定有誤差，通過圖解法得出：導彈軸線距設計軸線相差2mm，旋轉(zhuǎn)角度誤差達到0.3°，如果安裝誤差到達4mm，機構(gòu)就無法滿足0.5°的精度要求。沒有考慮安裝誤差是運動仿真的不足之處。

與原有的導彈掛架相比，本設計實現(xiàn)了實驗室內(nèi)導彈空中多姿態(tài)的功能，通過對關(guān)鍵部位進行結(jié)構(gòu)加強，提高掛架承載能力、可靠性和運動精度：連接耳的厚度增加50%，承載能力提高了約50%，增加了可靠性。原有的導彈掛架是兩套分布在兩個獨立龍門架上的固定結(jié)構(gòu)，在沖擊載荷下，整體剛度和變形量不一致，降低了掛架的可靠性，本設計采用整體框架式連接，通過靜力學仿真分析，提高機構(gòu)受力均勻性、整體協(xié)調(diào)性。

6 結(jié)論

本文通過三維模型建立，運動原理的分析，動態(tài)模擬確定該設計的水平偏轉(zhuǎn)機構(gòu)可以實現(xiàn)導彈繞軸心旋轉(zhuǎn)90°的運動功能，具備自鎖和可連續(xù)調(diào)節(jié)的功能。在瞬態(tài)沖擊載荷的作用下應變小于給出的最大形變2mm的指標要求，可以滿足設計要求。給出了機構(gòu)運動特性函數(shù)，分析了機構(gòu)誤差特性，滿足設計指標對導彈掛架的精度要求。

[1] 袁名松, 馮建偉, 黃云, 等. 巡飛攻擊導彈紅外成像導引頭瞬態(tài)沖擊響應分析[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(12): 953-957.

[2] 花文濤, 賈曉洪, 丁海山. 基于粒子群算法的導引頭穩(wěn)定平臺控制參數(shù)設計[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(8): 507-511.

[3] 黃忠魁, 曲波, 余盛強, 等. 某自行炮用慣性導航單元防沖擊研究[J].戰(zhàn)術(shù)導彈控制技術(shù), 2012, 29(4): 39-42.

[4] 楊元山, 郭文平. 機械原理[M]. 武漢: 華中理工大學出版社, 1989.

[5] 高耀東, 宿福存. ANSYS Workbench機械工程應用精華30例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

[6] 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[7] 鄭文緯, 吳克堅. 機械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.

[8] 李范春. ANSYS Workbench設計建模與虛擬仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[9] 黃志新, 劉成柱. ANSYS Workbench14.0超級學習手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013.

[10] 任學平, 高耀東. 彈性力學基礎及有限單元法[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2007.

[11] 李鵬飛, 徐敏義. 精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

Design and Research of Missile Infrared Heat Source Test Hanging Rack Mechanism

CAO Cheng-ming，QIU Ya-feng

(,,210094,)

A missile infrared heat source test hanging rack mechanism was taken as the research object. The entities model was established based on Proe and the reliability of the institutions was analyzed. First the principle and structure of the hanging rack mechanism was introduced, thenthe mechanism’s impact response analysis was figured out by workbench. At last dynamic of the movement was simulated by the software and compared with the solutions of the mathematics to find a function of the movement. The results show that the strength of the institutions has met the requirement of movement and precision.

infrared heat source，test hanging rack mechanism，structure design，impact response，motion simulation

TH702

A

1001-8891(2015)09-0719-05

2015-04-21；

2015-05-25.

曹成銘（1990-），男，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：光機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。