ADAMS的全地形車載火箭炮行進間發(fā)射動力學(xué)研究

豐 佩，張 龍，崔龍飛

（1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

ADAMS的全地形車載火箭炮行進間發(fā)射動力學(xué)研究

豐 佩1，張 龍1，崔龍飛2

（1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

利用多體動力學(xué)軟件ADAMS、有限元分析軟件ABAQUS建立了全地形車載火箭炮系統(tǒng)發(fā)射與行駛一體化動力學(xué)模型，基于路面功率譜密度函數(shù)和諧波疊加法，創(chuàng)建了全地形車野外行駛的三維隨機土石路況模型，對戰(zhàn)車行進間發(fā)射進行了動力學(xué)仿真。分析該型號車載火箭炮行進間發(fā)射的動力學(xué)特性，得到了戰(zhàn)車及發(fā)射裝置的動態(tài)響應(yīng)情況及運動特性和車速對發(fā)射的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，全地形車可以在土石路況低速行駛完成行進間發(fā)射任務(wù)。

火箭炮，動力學(xué)，路面譜，行進間發(fā)射，動力學(xué)響應(yīng)

0 引言

火箭武器行進間發(fā)射涉及地面力學(xué)、車輛動力學(xué)和發(fā)射動力學(xué)等多個領(lǐng)域，行進間發(fā)射過程，系統(tǒng)內(nèi)部件受力和運動情況十分復(fù)雜，通過仿真或計算手段實現(xiàn)對新型武器系統(tǒng)的性能預(yù)測十分有意義。本文針對車載式火箭武器系統(tǒng)，基于車輛輪胎動力學(xué)、火箭發(fā)射動力學(xué)和路譜原理，利用有限元分析軟件ABAQUS建立定向管、俯仰耳軸、底座等柔性部件有限元模型，通過外部節(jié)點設(shè)置和模態(tài)計算，獲得MNF模態(tài)中性文件，利用ADAMS-Flex柔性模塊導(dǎo)入仿真模型，替換原來的剛性體，建立系統(tǒng)行駛和發(fā)射一體化動力學(xué)仿真模型，分析戰(zhàn)車在土石路況下行進間發(fā)射時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、火箭的運動和受力情況，驗證發(fā)射的可行性，為武器系統(tǒng)設(shè)計進一步設(shè)計和開展試驗研究提供參考。行進間發(fā)射動力學(xué)仿真流程如下頁圖1所示。在MATLAB中建立隨機路面，導(dǎo)入到ADAMS中，添加輪胎，進行仿真分析。

圖1 行進間發(fā)射仿真流程圖

1 車-炮-路面剛?cè)狁詈虾湍Ｐ偷慕?/h2>

1.1 路面模型的創(chuàng)建

諧波疊加法擬合不平路面的原理是：設(shè)路面高程為平穩(wěn)的、遍歷的均值為0的Gaussian過程，則可以用不同形式的三角級數(shù)進行模擬。以下以正弦波為例加以描述。隨機正弦波（或其它諧波）疊加法采用以離散譜逼近目標隨機過程的模型，是一種離散化數(shù)值模擬路面的方法。

已知在空間頻率n1＜n＜n2內(nèi)的路面位移譜密度為Gd（n），利用平穩(wěn)隨機過程的平均功率的頻譜展開性質(zhì)，路面不平度的方差為

將區(qū)間（n1，n2）劃分為n個小區(qū)間，取每個小區(qū)間的中心頻率nmid-i（i=1，2，…，n）處的譜密度值Gd（nmid-i）代替Gd（n）在整個小區(qū)間內(nèi)的值，則式（2）離散化后近似為

對應(yīng)每個小區(qū)間，現(xiàn)在要找到具有頻率nmid-i（i=1，2，…，n），且其標準差為正弦波函數(shù)，這樣的正弦波函數(shù)可為

將對應(yīng)于各個小區(qū)間的正弦波函數(shù)疊加起來，就得到頻域路面隨機位移輸入。

式中：θ～［0，2π］上均勻分布的隨機數(shù)；x為頻域路面的X方向。

自此，通過離散頻域路面的X方向的x值，就可以得到空間頻域下隨機路面Y方向的值。由國內(nèi)實測的道路不平度的統(tǒng)計資料得到，其中土石路的Gd（n0）=1 107.7（mm2/m-1），相當于D級路面。利用諧波疊加法得到的D級路面譜如圖所示［1］。

圖2 D級隨機路面

1.2 ADAMS中三維路面通用模型構(gòu)建

ADAMS中路面文件通常包含7部分：路面文件類型、路面譜在X、Y、Z方向上的比例因子、位置原點、路面譜向上的方向、地面坐標系方向相對于大地坐標系方向的轉(zhuǎn)換矩陣、路面譜的節(jié)點（Nodes）、路面譜單元（Elements）等。核心部分是Nodes與Elements。Nodes是四維向量矩陣，由節(jié)點序號及該節(jié)點的三維坐標構(gòu)成；Elements是五維向量矩陣，由構(gòu)成它的3個節(jié)點序號及該單元的摩擦系數(shù)組成。只需確定Nodes矩陣以及Elements矩陣，即可以生成相應(yīng)的路面文件。

利用上節(jié)中描述的正弦諧波疊加法擬合不平路面的原理，在MATLAB中編寫的通用性Elements生成算法。將MATLAB計算得到的節(jié)點和單元寫入路面文件中，保存為*.rdf格式，在仿真使導(dǎo)入ADAMS［2］。

1.3 輕型全地形車輪胎模型的模擬

輪胎是汽車重要的部件，它的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)特性決定著汽車的主要行駛性能。輪胎所受的垂直力、縱向力、側(cè)向力和回正力矩對汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性起重要作用。輪胎模型對車輛動力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展及仿真計算結(jié)果有很大影響，輪胎模型的精度必須與車輛模型精度相匹配。因此，選用輪胎模型是至關(guān)重要的。由于輪胎具有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力學(xué)性能的非線性，選擇符合實際又便于使用的輪胎模型是建立虛擬樣車模型的關(guān)鍵。輕型全地形車使用的輪胎型號為AT27X12-14，氣壓均為45 KPa，最大負載440 Kg，屬于低壓胎。

本文全地形車輪胎型號為AT27X12-14，采用PAC2002輪胎模型模擬，PAC2002輪胎模型認為輪胎在垂直、側(cè)向方向上是線性的、阻尼為常量，這在側(cè)向加速度常見范圍≤0.4 g，側(cè)偏角≤5°的情景下對常規(guī)輪胎具有很高的擬合精度。由于PAC2002輪胎模型使用的魔術(shù)公式基于試驗數(shù)據(jù)，除在試驗范圍的高精度外，甚至在極限值以外一定程度仍可使用，可以對有限工況進行外推且具有較好的置信度。全地形車輪胎的魔術(shù)公式系數(shù)由制造商提供。

H B Pacejka輪胎模型采用SAE標準輪胎運動坐標系，基于魔術(shù)公式的輪胎力計算輸入和輸出變量關(guān)系如圖1所示。魔術(shù)公式一般形式如下：

式中Y（x）可以是側(cè)向力，也可以是回正力矩或者縱向力，自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率，B為剛度因子，C為曲線形狀因子，D巔因子，式中的系數(shù)B、C、D依次由輪胎的垂直載荷和外傾角來確定。

1.4 全地形車載火箭炮總體模型

多管火箭炮發(fā)射系統(tǒng)是個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，在建模過程中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，可將全炮分為：底座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)（電機、減速器等）、俯仰機構(gòu)（電機、減速器及主軸）、發(fā)射箱（定向管、火箭彈）4大部分。發(fā)射過程中彈性變形較大的幾個部件（定向管、俯仰軸、底座）在仿真中定義為柔性體，火箭炮剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D3所示［3］。

圖3 行駛、發(fā)射一體化剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

將輪胎模型添加到剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，將編寫好的隨機路面譜放置于輕型全地形車下，建立戰(zhàn)車系統(tǒng)行駛和發(fā)射一體化剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型（見圖3），共有自由度1 233個。定義系統(tǒng)慣性坐標系如下：X指向車尾，Y垂直地面向上，Z根據(jù)右手坐標法則確定，其他構(gòu)件連體坐標同系統(tǒng)慣性坐標方向一致。

2 行進間發(fā)射動力特性研究

快速反應(yīng)、高速機動是未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭對武器裝備的基本需求，空降作戰(zhàn)、兩棲登陸作戰(zhàn)、山地作戰(zhàn)、打擊恐怖勢力作戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占有越來越重要的位置，這些戰(zhàn)爭對武器裝備除要求高機動性外，還有對各種道路和地面的廣泛適應(yīng)性要求，全地形車通常行駛在凹凸不平的山地上，可由國內(nèi)實測的道路不平度的統(tǒng)計資料得到，其中山地土石路面不平度相當于D級路面，因此，D級路面三維模型代替土石路面，對車載火箭炮在野外行進間發(fā)射過程進行模擬分析，驗證發(fā)射的可行性。進行3種不同車速下的行進間發(fā)射動力學(xué)仿真，獲得了車輛與發(fā)射裝置的動態(tài)響應(yīng)、火箭彈的過載和運動以及發(fā)射的安全性情況。仿真結(jié)果表明，在滿足車速條件下，可以完成行進間發(fā)射任務(wù)。

2.1 行進間發(fā)射過程仿真

為考察車速對發(fā)射的影響，車速分別為20 km/h、30 km/h、40 km/h，進行行駛和發(fā)射動力學(xué)仿真。

將編寫好的不同級隨機路面譜放置于輕型全地形車下，為模擬戰(zhàn)車在勻速行進中進行發(fā)射，先進行行駛動力學(xué)仿真，為戰(zhàn)車從靜態(tài)加速到一定速度，處于勻速行駛狀態(tài)，11.178 s后進行第一枚解鎖、開始發(fā)射，按照傳統(tǒng)射序“先上后下，先左后右，左右對稱交替”，進行連續(xù)射擊，射擊間隔0.175 s，設(shè)定仿真總時間為12.66 s，通過編寫腳本語言進行仿真控制。

2.2 不同行駛速度仿真結(jié)果分析

首先，將車速設(shè)置為20km/h進行仿真，第一發(fā)火箭彈出口時刻，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校嵝泽w的Von Mises Stress云圖如下圖所示，最大應(yīng)力為136.77MPa，主要集中在底座與回轉(zhuǎn)體相連接的部位。

圖4 剛?cè)狁詈夏Ｐ蚔on Mises Stress云圖

圖5 射擊期間俯仰力矩變化曲線

仿真11.178 s后進行第一枚火箭彈解鎖，八枚火箭彈依次開始發(fā)射，通過ADAMS后處理模塊得到行進間發(fā)射過程中，發(fā)射架的動態(tài)響應(yīng)特性，射擊期間俯仰力矩變化曲線如圖5所示，發(fā)射架的過載如圖6和圖7。從圖中可以看出在發(fā)射時刻，由于火箭彈與定向管的作用，使得俯仰方向力矩發(fā)生較大的突變。

圖6 射擊期間發(fā)射架X方向過載曲線

圖7 射擊期間發(fā)射架y方向過載曲線

圖8 定向器束俯仰角加速度變化曲線

定向器束俯仰角加速度變化如圖8所示，俯仰角加速度在發(fā)射時刻發(fā)生較大的突變。為考慮車速對發(fā)射的影響，取戰(zhàn)車行駛速度為20 km/h、30 km/h、40 km/h 3種車度進行行進間發(fā)射動力學(xué)仿真，因篇幅有限文中不提供全部仿真曲線，不同車速發(fā)射架回轉(zhuǎn)體質(zhì)心測點垂向速度曲線如圖9所示，曲線峰值隨著車速提高有明顯增大趨勢；由于受路面隨機性和戰(zhàn)車在路面上的發(fā)射點不同的影響，形成了火箭彈解鎖時刻系統(tǒng)的不同初始條件，火箭彈出口姿態(tài)表現(xiàn)出隨機性，曲線峰值對應(yīng)時刻也相錯位，但曲線振蕩頻率基本一致［4］。

圖9 不同車速起落架測點垂向速度曲線

綜合可得，在未鋪裝路況下，車速越大，戰(zhàn)車系統(tǒng)的振動越大，火箭彈出口姿態(tài)偏差越大，發(fā)射精度越低，安全可靠性越差［5］。

3 結(jié)論與展望

①在ADAMS中構(gòu)建了全地形車載火箭炮虛擬樣機模型，對不同車速行進間發(fā)射過程進行了動力學(xué)仿真。不同車速仿真結(jié)果對比表明，車速越快，戰(zhàn)車及裝置的振動越激烈，火箭彈初始擾動加大，射擊精度降低，發(fā)射安全可靠性也下降，低車速更有利于行進間發(fā)射。應(yīng)盡量選擇在質(zhì)量好的路面上實施行進間射擊，這將會降低系統(tǒng)的振動，改善系統(tǒng)的行駛平順性。路面越惡劣，行駛速度不能越高［7］。

②文中建立的模型未考慮系統(tǒng)隨機因素影響，可進一步建立系統(tǒng)的隨機動力學(xué)模型并開展隨機虛擬試驗研究，以提高仿真分析的精度。

③在后續(xù)研究中，將建立車載武器的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，研究動態(tài)跟蹤過程中的武器系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，以及瞬態(tài)強沖擊下系統(tǒng)的響應(yīng)控制規(guī)律，以提高射擊精度和密集度。

［1］陳余軍，姜毅.車載導(dǎo)彈行進間發(fā)射動力學(xué)仿真分析［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2011,31（1）：55-57.

［2］陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：56-57.

［3］李軍，馬大為，曹聽榮，等.火箭發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：213-215.

［4］周成，顧克秋，盧其輝，等.履帶式自行火炮發(fā)射動力學(xué)仿真建模［J］.四川兵工學(xué)報，2013（6）：20-23

［5］崔龍飛，張龍，羅云，等.基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷幕鸺诎l(fā)射動態(tài)響應(yīng)研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2013,（4）:24-29.

［6］閔建平，譚俊杰，李劍峰.行進間射擊時的動力學(xué)研究［J］.振動與沖擊，2003，22（4）：88-92.

［7］閔建平，楊國來，王長武.行進間發(fā)射平順性研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2000，24（4）：326-329.

Dynamic Simulation Analysis of Rocket Launcher Launching on Move

FENG Pei1，ZHANG Long1，CUI Long-fei2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；
2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China）

Based on the multi-bodied dynamics software ADAMS and the finite element analysis software ABAQUS，the launching and driving integrated dynamics model of rocket system on all-terrain vehicle is built.The three-dimensional randomly earth-rock road model based on the power spectrum density function of the road and random number theory is created.Dynamic simulations for the launch on the move under different velocities on the same rank road conditions is completed.The dynamic response of the all-terrain vehicle and the launch device，and motion characteristics of the launch，the influencing law to the launching of the velocity and road condition factors are obtained.The research results show that rocket system could complete the mission on the move at low speeds.

mobile missile，dynamics，road spectrum，launch on the move，dynamic response

TJ393

A

1002-0640（2015）05-0112-04

2014-03-04

2014-05-19

豐 佩（1989- ），男，江蘇新沂人，碩士研究生。研究方向：火箭武器結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究。