0 引言
半挂车发射平台具有支承、储存、运输和发射导弹功能,其优点为:可以改善对路面压力及对路面的破坏程度,改善牵引车发射架整车的行驶性能,有利于改善半挂式发射架的稳定性,能提供较大的上装结构布置空间等。
文中基于多体系统动力学理论,建立完整的半挂车四联装发射平台刚柔耦合模型,考虑燃气流冲击对发射过程的影响,将发射箱进行柔性化处理,对模型进行动力学分析。分析导弹不同高度燃气流对发射平台的影响;分析不同回转角度、不同路面坡度对发射平台的动力学响应。
1 车载导弹箱式倾斜发射动力学模型设置
1.1 多体系统动力学建模理论
以系统中每一个物体为单元,建立固结在刚体上的坐标系,刚体的位置相对于一个公共参考基准进行定义,其广义坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标系与坐标系的方位坐标。单个物体位置坐标在三维系统中为6个。对于由N个刚体组成的系统,位置坐标阵q中的坐标个数为6N,由于铰约束的存在,这些位置坐标不独立。系统动力学模型的一般形式可表示为:
式中:Φ为位置坐标阵q的约束方程;Φq为约束方程的雅可比矩阵;λ为拉格朗日乘子。
1.2 半挂车四联装发射平台模型
1.3 导弹燃气流计算条件设置
导弹在发射过程中燃气流冲击会对发射箱造成一定的扰动。分析导弹在箱内运动和箱外运动状态下导弹燃气射流的流场。计算参数如表1所示。
表1 燃气流计算参数 |
| 参数 | 仿真边界条件 |
|---|---|
| 总压/MPa | 8.082 8 |
| 总温/K | 3 468.379 |
| 燃气分子量/(g/mol) | 19.968 |
| 燃气绝热指数 | 1.2 |
| 燃气气体常数/(J/(kg·K)) | 416.4 |
计算域上的各壁面为绝热壁面。在计算过程中,对发射箱的壁面压强进行积分,得出发射箱在此时刻受到的力和力矩,积分导弹表面的受力以获得导弹的推力。
1.4 半挂车四联装发射平台动力学模型设置
如图3所示,坐标系定义如下:x方向为前进方向、z方向为重力方向、y方向由右手定则确定。
发射车的悬挂系统采用弹簧阻尼器模拟,起竖油缸与调平油缸采用弹簧阻尼器模拟,轮胎与地面设置接触,适配器导轨之间设置接触。转台、发射箱、起竖油缸间设置旋转副。在此模型中,考虑发射箱、导轨的柔性变形,将发射箱、导轨的模态文件输出至动力学模型中。
车轮沿x轴负方向编号分别为轮1、轮2和轮3。发射号位为从前往后看发射箱的右下角号位。动力学仿真时间为22 s,模型在1~20 s为静平衡阶段,推力在第20 s时开始作用。发射弹固定在发射箱中,当推力达到剪切销拉断值时,认为剪切销拉断,解除发射弹和发射箱间的固定副,导弹开始发射。
2 计算结果与分析
2.1 导弹燃气流计算结果及分析
模型燃气流计算得出的导弹推力如图4所示,将推力曲线加载到动力学模型中。
导弹在箱内运动2 m、4 m、6 m和箱外运动2 m、5 m、7 m、9 m状态下的压强云图如图5所示。可以看出导弹在箱内运动时对发射箱上的压强很小,基本不产生作用。导弹出箱后燃气流对发射箱上的压强先增大后减小,对发射箱产生较大的影响。
由于导弹在箱内运动时压强很小,基本不产生作用,所以忽略导弹在箱内运动时燃气流影响。对箱外运动2 m、5 m、7 m、9 m时发射箱的壁面压强进行积分,表2为发射箱在箱外运动时受到的力和力矩。发射箱所受的力和力矩在7 m时最大。
表2 发射箱在箱外运动时受到的力和力矩 |
| 力、力矩 | 箱外运动位移/m | |||
|---|---|---|---|---|
| 2 | 5 | 7 | 9 | |
| Fx/N | -9 753.12 | -35 293.7 | -44 998.5 | -42 717.1 |
| Fy/N | -6 127.14 | -17 272 | -17 163.9 | -14 887.7 |
| Fz/N | -9 826.72 | -33 175 | -40 305.6 | -35 911.7 |
| Mx/(N·m) | 30 388 | 48 453 | 33 872 | 26 635 |
| My/(N·m) | -59 931 | -155 268 | -180 107 | -167 557 |
| Mz/(N·m) | 5 553.339 | 29 507.14 | 40 361.74 | 36 365.94 |
将得到的力和力矩通过插值的方式输入至动力学模型,力矩中心为转台回转中心,分析导弹燃气流对发射平台的影响。
2.2 不同回转角度下计算结果及分析
通过仿真结果可以得出,回转角度越大,车架x方向位移越小、y方向位移越大,这是由于回转导致整个发射平台的质心位置变化所产生的,车架所受x方向的振动随回转角度变化转换为y方向的振动。回转角度越大,调平油缸、轮1、轮2和轮3受力越大,说明回转角度越大对发射平台的影响越大。
由于导弹和发射箱通过适配器-导轨连接,这种连接方式较滑块-滑轨连接稳定,所以不同回转角度下导弹的出箱姿态无较大变化,起竖油缸受力无明显区别,最大受力随回转角度增大变小。
2.3 不同路面坡度下计算结果及分析
表4 不同路面坡度下仿真结果 |
| 参数 | 路面坡度/(°) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| -1 | -0.5 | 0 | 0.5 | 1 | |
| 车架x方向最大位移/mm | 11.22 | 12.49 | 14.07 | 15.46 | 16.7 |
| 车架y方向最大位移/mm | 0.513 | 0.515 | 0.504 | 0.512 | 0.513 |
| 调平油缸最大受力/N | 78 059 | 77 210 | 76 455 | 75 492 | 74 711 |
| 轮1最大受力/N | 68 144 | 68 354 | 68 495 | 68 767 | 68 980 |
| 轮2最大受力/N | 79 632 | 79 899 | 80 161 | 80 426 | 80 697 |
| 轮3最大受力/N | 90 887 | 91 210 | 91 495 | 91 848 | 92 175 |
通过仿真结果可以得出,路面坡度越大,车架x方向位移越大、y方向位移无明显变化,这是由于发射平台的重量集中在发射箱位置,路面坡度越大,发射平台的重力影响越大。路面坡度越大,调平油缸受力越小,轮1、轮2和轮3受力越大,说明路面坡度越大,对发射平台的影响越集中在平台后方,对发射平台的影响越大。仿真得出,当路面坡度为29°时,调平油缸在发射过程中受力为0,此时有翻车的危险。
由于导弹和发射箱通过适配器-导轨连接,这种连接方式较滑块-滑轨连接稳定,所以不同路面坡度下导弹的出箱姿态无较大变化。起竖油缸受力随路面坡度增大变小,这是由于发射平台的重量集中在发射箱位置,路面坡度越大,对发射平台的影响越集中在平台后方,起竖油缸受力相对变小。
3 结论
建立了完整的半挂车四联装发射平台刚柔耦合模型,考虑燃气流冲击对发射过程的影响,将发射箱进行柔性化处理,对模型进行动力学分析。分析导弹不同高度燃气流对发射平台的影响,分析不同回转角度、不同路面坡度对发射平台的动力学响应。分析表明:导弹在箱内运动时对发射箱上的压强很小,基本不产生作用;导弹出箱后燃气流对发射箱上的压强先增大后减小,对发射箱产生较大的影响;不同回转角度、不同路面坡度对导弹出箱姿态影响较小;回转角度越大、路面坡度越大对发射平台影响越大。路面坡度过大时,发射平台有翻车的危险。