基于CATIA的模擬彈設(shè)計

孫東輝，諶志聰

（鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州 450000）

在航空懸掛發(fā)射裝置研究領(lǐng)域，導彈模型按用途分可分為外形彈、質(zhì)量彈和振動彈。外形彈與真彈的外觀、尺寸一致，主要用于產(chǎn)品展示和試裝干涉性檢查。質(zhì)量彈模擬彈的重量和重心位置、電器接口、機械接口及關(guān)鍵外形，用于懸掛發(fā)射裝置一般的投放功能性試驗。振動彈不僅模擬彈的重量、重心位置、電器接口、機械接口、主要外形外，還需模擬彈重心坐標系下三個坐標軸的轉(zhuǎn)動慣量，用于懸掛發(fā)射裝置振動環(huán)境試驗。

1 設(shè)計輸入分析

本文假設(shè)一種航空用導彈模型的設(shè)計輸入如下：導彈外形如下圖1，量重172±3kg，Jy=Jz=162kg·m2，前、后滑塊相同都是標準“T”型滑塊，吊距1340mm，重心位于彈中心軸線前滑塊航后300mm處。Jy、Jz分別為Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動慣量。坐標系采用右手直角坐標系，原點處于重心。從設(shè)計要求可以看出這是屬于振動彈的設(shè)計類型，也是外形彈，質(zhì)量彈和振動彈這三種類型模擬彈中最為復(fù)雜的一種。

圖1 航空導彈模型

2 初步設(shè)計

轉(zhuǎn)動慣量也被稱作質(zhì)量慣性矩或慣距，是衡量改變物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)難易程度的物理量，從質(zhì)點轉(zhuǎn)動慣量計算公式I=mr2不難看出，其大小取決于物體的質(zhì)量分布及質(zhì)點與轉(zhuǎn)軸間的距離。理解轉(zhuǎn)動慣量本質(zhì)含義有助于對模擬彈得結(jié)構(gòu)進行靈活設(shè)計。

圖1中為帶翼導彈模型，按要求本文設(shè)計的是振動彈所以可以忽略彈翼。通常模擬彈主要由圓管、芯軸、彈頭、錐筒和圓盤焊接組成，這樣的形式整體結(jié)構(gòu)強度高，圓管按實際情況通常采用分段加工再組合焊接而成，分段的好處是：第一，方便吊耳座或滑塊安裝座在筒體內(nèi)部的焊接。第二，采用不同壁厚的管料有利于調(diào)整彈體的質(zhì)量分布，重心位置和轉(zhuǎn)動慣量的大小。筒體壁厚是決定彈x 軸轉(zhuǎn)動慣量的主要因素，而彈體的長度、彈頭、錐筒、配重圓盤的重量及它們距Y軸的距離決定了彈y軸、z軸的轉(zhuǎn)動慣量和重心的位置，由于彈的基本特征為圓形（中心對稱圖形）故Jy≈Jz。振動彈設(shè)計難點在于同時要保證彈的重量，重心位置和轉(zhuǎn)動慣量，所以要不斷地調(diào)整模型才能達到設(shè)計要求。

圖2 模擬彈初步構(gòu)形

總上所述，模擬彈的主要外形為彈外徑、彈頭部分，電連接器采用真實型號的原器件，參照GJB-1C具體尺寸設(shè)計滑塊，對模擬彈進行初步粗略設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖2。滑塊在彈體上通過兩個銷釘定位、四個高強度螺栓與支塊聯(lián)接，如圖3。分段彈體之間的連接形式如圖4，通過臺階孔配合焊接成一體。

3 CATIA建模

按照3中的設(shè)計思路，結(jié)合圖1尺寸，利用CATIA軟件對模擬彈的組成零件分別進行粗略建模。圖1重心位置尺寸是以前滑塊為參考的，為了在裝配環(huán)境下方便對質(zhì)量屬性的讀取，對前滑塊建模的時候要注意零件的坐標點的選取。將彈體的X軸作為前滑塊的X軸，YZ平面為前滑塊X軸方向的對稱平面。CATIA裝配體中默認是沒有坐標系顯示的，可以測量得到重心、慣量等信息，但是并不知道這是相對哪個坐標系的，為解決此問題可以新建一個裝配體，再在裝配環(huán)境下新建一零部件，按提示將裝配體的原點定義為零部件的原點，這樣裝配體的坐標系就顯示出來了。將前滑塊作為第一個零件插入，通過約束命令將前滑塊的原點移動到當前坐標系，再施加固定約束，刪除新建部件，依次對建好的模型進行裝配，這樣就可以用零部件的原點進行測量了。裝配后的模型如圖5所示。

圖3 航空導彈模型

圖4 彈體間聯(lián)接形式

圖5 CATIA中的裝配模型

4 確立最終設(shè)計模型

模型建立后，設(shè)置零件的材料屬性，這里主要需要的是材料密度，統(tǒng)一選取常用普通碳鋼Q235，密度7850kg/m3，工具欄點擊CATIA中的圖標就可以測量模擬彈裝配體的質(zhì)量屬性了。由以上對影響模擬彈轉(zhuǎn)動慣量的因素分析，經(jīng)過在CATIA中更改零件模型的結(jié)構(gòu)尺寸，更新裝配體，多次比較最終確立了零部件具體的結(jié)構(gòu)尺寸，測量的模擬彈質(zhì)量屬性的測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 CATIA中彈的質(zhì)量屬性

Gx、Gy、Gz分 別 為 重 心 的 坐 標，Gx≈ 300mm表示重心在彈的中心軸線上距前滑塊航后300mm處，M1≈M2≈161.82kg·m2分別就是轉(zhuǎn)動慣量Jy，Jz。按照經(jīng)典的力學均質(zhì)物體重量、轉(zhuǎn)動慣量計算公式和平行軸定理經(jīng)過對彈模型分割簡化計算得到的結(jié)果如表1。

通過表1中數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)CATIA計算結(jié)果與傳統(tǒng)的簡化算法結(jié)果極為相近，滿足設(shè)計給定的要求，也說明了CATIA在模型質(zhì)量屬性測量方面的正確性。

5 結(jié)語

（1）本文介紹了航空懸掛發(fā)射裝置用導彈模擬彈的種類及用途，并詳細講述了如何運用CATIA對其較為復(fù)雜的一種振動彈進行設(shè)計的步驟和方法。（2）將經(jīng)典力學公式計算所得和CATIA測得的彈的質(zhì)量屬性進行比較，驗證了借助CATIA對模擬彈進行設(shè)計這種手段的可行性。（3）外形彈和質(zhì)量彈的設(shè)計同樣都可以借鑒振動彈的設(shè)計方法和思路。

表1 結(jié)果數(shù)據(jù)比較