某車載傾斜發(fā)射裝置初始擾動影響因素分析*

李 敏,王學智,李 超,杜振宇

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

0 引言

導彈在發(fā)射過程受多種擾動因素影響,引起發(fā)射裝置振動響應,致使導彈初始偏差過大。彈架振動對發(fā)射精度有較大影響,可能增加導彈的初始擾動;使導彈在定向器上產(chǎn)生較大彎曲,并在導彈滑離后彎曲恢復而繼續(xù)振動;對安裝在導彈上的陀螺儀裝置,系統(tǒng)振動使其基準隨振動變化[1]。文中研究對象為某傾斜車載導彈,該導彈在初制導階段僅由導彈控制系統(tǒng)中姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)實現(xiàn)對導彈姿態(tài)穩(wěn)定。因此對發(fā)射階段初始基準偏差要求高。在初始擾動因素上國內(nèi)研究較多,如杜振宇的“某型車載導彈影響因素分析”研究了發(fā)動機不穩(wěn)定推力、燃氣流沖擊力和關(guān)鍵構(gòu)件柔性變形對導彈發(fā)射過程動力學影響;劉馨心研究了緩沖裝置對某導彈推力偏心和彈筒間隙的影響及調(diào)節(jié)作用;陳陣等通過建立火箭彈在半約束期的運動微分方程,以隨機激勵來代替火箭彈的質(zhì)量偏心和動不平衡,研究了火箭彈初始擾動域。但上述研究均未考慮推力偏心及閉鎖力對導彈發(fā)射的初始擾動作用。

文中建立了導彈在發(fā)動機推力偏心影響因素下的發(fā)射動力學方程,建立了傾斜發(fā)射裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?分析了推力偏心對導彈發(fā)射動力學過程影響,利用有限元技術(shù)研究了導彈在推力偏心下的受載情況。同時研究了不同閉鎖力對導彈發(fā)射姿態(tài)及發(fā)射筒振動響應的影響,尋出最優(yōu)閉鎖力,將閉鎖力的初始擾動降到最低。

1 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)主要由調(diào)平油缸、發(fā)射車車體、托架、起豎油缸、起落架、發(fā)射筒、導軌、導彈等組成。導彈在發(fā)射筒中,通過前后定向件及閉鎖裝置固定在導軌上[2]。發(fā)射架通過耳軸與托架連接,起豎油缸通過轉(zhuǎn)動副與發(fā)射架與拖架相連。柔性變形是影響發(fā)射系統(tǒng)振動的重要因素之一,因此將發(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件如車架、拖架、發(fā)射架進行柔性化處理,其他構(gòu)件為剛體[3]。導彈發(fā)射系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 導彈發(fā)射動力學方程

通過達朗伯原理和動靜法來建立導彈發(fā)射過程的動力學數(shù)學模型。在質(zhì)點系運動的任意瞬間,每一個質(zhì)點系上的主動力,約束力和該質(zhì)點的慣性力構(gòu)成矢量平衡關(guān)系,該力系對于任一點的主矩也為零。這種由達朗原理提供的按靜力學平衡方程的形式來寫質(zhì)點動力學方程的方法,即為動靜法[4]。其方程表示為:

(1)

式中:F、M0(F′)為作用于質(zhì)點系上的主動力和力矩;N、M0(N′)為作用于質(zhì)點系上的約束力和力矩;Q、M0(Q′)為作用于質(zhì)點系上的慣性力和力矩。

導彈在發(fā)射過程中主要受到發(fā)動機推力、重力、導軌摩擦力、支反力、氣動力作用。導彈在發(fā)射坐標系下,質(zhì)心運動的動力學方程為:

(2)

導彈所受的慣性力為：

Q=-m·a

導彈繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的動力學方程可表示為:

(3)

式中:Mx,My,Mz分別為慣性力矩在彈體坐標系各軸上的分量;

其中:

MxQ=-[Jxεx+(Jz-Jy)ωzωy]

MyQ=-[Jyεy+(Jx-Jz)ωxωz]

MzQ=-[Jzεz+(Jy-Jx)ωyωx]

圖2表示有推力偏心存在時推力對導彈的作用情況。圖中x,y,z分別為導彈的縱軸及橫軸;Oo為質(zhì)心;G為推力作用線與導彈赤道平面的交點;Px,Py,Pz是x,y,z軸的推力分量;e是推力偏心矩。當推力偏心存在時推力是:

(4)

推力偏心矩的分量是：

(5)

將推力P及推力分量MP1代入質(zhì)心運動(2)及旋轉(zhuǎn)動力學方程(3)即可得到導彈在半約束狀態(tài)下的動力學方程。

3 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

3.1 模型簡化

發(fā)射裝置是由機械、電子、液壓系統(tǒng)組成的復雜機械系統(tǒng),在建模過程中根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,將模型簡化為車架、轉(zhuǎn)臺、發(fā)射架、液壓支撐油缸、4個發(fā)射筒及4枚導彈。在SOLIDWORKS中將模型保存為PARASOLID格式,導入ADAMS中,各組成部分質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量等結(jié)構(gòu)參數(shù)均等效實體結(jié)構(gòu)。簡化后剛體模型如圖3所示。

3.2 柔性體模型

剛性體在運動仿真中忽略了構(gòu)件的柔性變形及模態(tài)變化,因此簡單的多剛體運動不能充分描述導彈在發(fā)射過程的動力學特性[5]。文中采用剛?cè)狁詈夏Ｐ?對發(fā)射裝置關(guān)鍵構(gòu)件,如車架、轉(zhuǎn)臺和發(fā)射架在ANSYS中進行柔性化處理。根據(jù)裝置實際結(jié)構(gòu),設(shè)置彈性模量為(1.9e+011) N/m2,泊松比為0.26,密度為7 300 kg/m3,網(wǎng)格劃分大小為50 mm。在各運動副連接處的外部節(jié)點建立剛性區(qū)域,定義各構(gòu)件邊界條件和模態(tài)求解后,輸出模態(tài)中性文件MNF。在ADAMS中讀取模態(tài)中性文件,并刪除原剛性體,完成剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕6]。

3.3 約束條件

轉(zhuǎn)臺與車架間為方向機,控制轉(zhuǎn)臺方位角度,并在發(fā)射過程中將轉(zhuǎn)臺鎖死。因此在車架與轉(zhuǎn)臺之間添加一個轉(zhuǎn)動副和扭簧。

起落架與轉(zhuǎn)臺通過耳軸相連接,由液壓支撐油缸來控制起落架俯仰發(fā)射角度。起落架與轉(zhuǎn)臺耳軸處添加三個轉(zhuǎn)動副,與支撐桿為轉(zhuǎn)動副連接;支撐桿與油缸為滑動副約束。

發(fā)射筒固連在發(fā)射架上,由固定副約束;導彈與發(fā)射筒導軌均為剛性體由滑動副約束。

導彈在發(fā)射過程中與導軌發(fā)生碰撞產(chǎn)生的力為接觸力,通過ADAMS中contact實現(xiàn)約束。導彈前定向件與導軌有5組接觸力,后定向件與導軌有4組接觸力,接觸力計算類型為IMPACT函數(shù)法[7]。結(jié)合該型發(fā)射裝置實際結(jié)構(gòu),接觸力參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.4 外部激勵

1)發(fā)動機推力

發(fā)動機推力由系統(tǒng)力和脈動力構(gòu)成,文中只考慮發(fā)動機系統(tǒng)力的作用,并通過發(fā)動機實驗點火數(shù)據(jù),運用ADAMS中AKISPL函數(shù)進行擬合,得到發(fā)動機推力曲線。

表1 接觸力參數(shù)

2)閉鎖力

導彈后端垂直面正上方和正下方分別設(shè)置有鎖緊槽,用于導彈在貯運發(fā)射筒內(nèi)的縱向閉鎖;導彈裝入貯運發(fā)射筒后,閉鎖機構(gòu)按照要求加上閉鎖力[8]。在導彈尾部設(shè)置推力傳感器,當推力值達到設(shè)定值時,固定約束副自動解鎖,導彈發(fā)射出筒。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 推力偏心影響因素

導彈發(fā)動機在設(shè)計、裝配中的裝配誤差,生產(chǎn)過程中的形位誤差,以及在火藥燃燒后對發(fā)動機管壁、噴口的不均勻腐蝕作用都可能會使發(fā)動機產(chǎn)生側(cè)向力,導致推力線與導彈主軸和質(zhì)心偏移[9]。推力偏心不可避免,但推力偏心達到一定極限,必然對彈架系統(tǒng)振動響應產(chǎn)生重要影響。推力對發(fā)射系統(tǒng)振動的激勵是一個隨彈移動的隨機載荷,發(fā)動機推力偏心距曲線和推力偏心角曲線可由實驗測得。為便于仿真實現(xiàn),在仿真中對采集數(shù)據(jù)取平均值。取偏心矩為0.4 mm,偏心角為0.46°,并以ADAMS中三分量力形式將該推力曲線作用在導彈底部。仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4～圖6中紅色曲線及藍色曲線分別為導彈在正常推力及推力偏心情況下的仿真曲線。在閉鎖力解鎖前,兩者情況下導彈的俯仰角速度、偏航角速度及滾轉(zhuǎn)角速度曲線幾乎重合,說明推力偏心對導彈發(fā)動機點火至閉鎖裝置解鎖段影響較小。0.2 s閉鎖裝置解鎖,導彈發(fā)生劇烈振動,并在導軌上開始滑動。兩種推力下導彈均發(fā)生劇烈振動,但相對正常情況下,有推力偏心下的導彈在俯仰角上受迫振動較弱,在偏航角與滾轉(zhuǎn)角上受迫振動更為劇烈。發(fā)動機推力一部分轉(zhuǎn)化成導彈側(cè)向力,導彈在運動過程中定向件側(cè)面不斷與導軌發(fā)生接觸碰撞,使導彈在偏航角與滾轉(zhuǎn)角上變化更加劇烈。

為更好反映推力偏心對導彈發(fā)射過程的受載情況影響,利用ANSYS對推力偏心下導彈進行等效應力應變分析。在ANSYS中對導彈定義材料屬性,彈性模量為(2.06e+011) N/m2,泊松比為0.26,密度為7 800 kg/m3。定義單元類型為Solid45后進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸為50 mm。外部激勵載荷主要為推力,及導彈定向件與導軌的碰撞接觸力。導彈等效應力應變圖如圖7所示。

推力偏心存在情況下,導彈后定向件凹槽處受載嚴重,最大變形量為0.015 941 mm,最大應力值為1.868 1 MPa。定向件彈性變形使導彈在發(fā)射過程中的接觸碰撞加劇,因此,在導彈設(shè)計過程中,應充分考慮導彈推力偏心對后定向件的過載影響,減小受載變形量。

4.2 閉鎖力影響因素

導彈閉鎖裝置位于發(fā)射筒內(nèi),為導彈提供閉鎖力,使導彈不會在運輸、起豎及推力不足時從發(fā)射筒內(nèi)滑下或因慣性作用向前滑動[10]。閉鎖力是影響導彈離軌擾動的重要因素。閉鎖力過小,導彈在發(fā)射筒中下滑,增加了導彈在導軌上滑行時長;閉鎖力過大,增加了發(fā)射裝置的負擔。選取最優(yōu)閉鎖力,降低導彈在軌滑行階段受隨機激勵的影響,減小導彈離軌擾動,具有重要的意義。

根據(jù)文獻[2]及經(jīng)驗,在對閉鎖力設(shè)置時通常為彈重的1.6～12.5倍,并通過具體實驗及經(jīng)驗公式確定數(shù)值。文中在文獻[2]提供的閉鎖力參考值基礎(chǔ)上,結(jié)合某型地空導彈發(fā)射裝置具體結(jié)構(gòu),分別研究了56 kN、64 kN、80 kN、88 kN、112 kN閉鎖力對導彈離軌擾動及發(fā)射筒振動響應。導彈發(fā)射彈體姿態(tài)參數(shù)如表2所示,發(fā)射筒筒口高低及方位線速度如圖8、圖9所示。

表2 導彈姿態(tài)參數(shù)

由表2數(shù)據(jù)分析可知,閉鎖力增加,彈體離軌速度有所增加,但增加幅度較小。當閉鎖力為64 kN時,彈體離軌擾動相對有所降低,但當閉鎖力繼續(xù)增加時,彈體俯仰角速度和偏航角速度均增大,彈體初始擾動增加。離軌擾動在閉鎖力為64 kN時取得最優(yōu)值。

閉鎖力解鎖及導彈出筒時刻,因閉鎖力的突變,發(fā)射筒出現(xiàn)振動響應。彈體出筒后,在柔性體構(gòu)件及液壓支撐桿作用下,筒口振動逐漸趨于穩(wěn)定。因此,在滿足設(shè)計要求前提下,應盡量減小閉鎖力,減小閉鎖裝置對發(fā)射裝置帶來的負擔和彈體的初始擾動。

5 結(jié)論

文中通過建立傾斜發(fā)射裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?對發(fā)動機推力偏心及閉鎖力對導彈的初始擾動進行了研究分析,得到如下結(jié)論:

1)推力偏心是引起導彈發(fā)射過程偏航角及滾轉(zhuǎn)角擾動變化的重要因素,且使導彈在發(fā)射過程中后定向件受載嚴重,應加大后定向件剛度,減小受載變形帶來的碰撞振動。

2)閉鎖力大小與初始擾動并非呈現(xiàn)線性變化,應盡量尋求最優(yōu)閉鎖力,減少閉鎖力對裝置的負擔和導彈的離軌擾動。