0 引言
1 车载武器系统建模
1.1 系统组成与建模假设
轮式战车行进间发射系统分成发射装置和车体部分,上装发射装置固定在发射车车架中部,包括发射箱、弹射装置、导弹、导轨和闭锁结构等;车体部分包括载车本体、车大梁、副车架、独立悬挂系统、车轮、油箱、发动机、车轴以及工具箱等多个结构部件。其主要拓扑连接如图1所示。
车载防空导弹行进间发射时的受力以及运动特性比较复杂,为了描述武器系统在行进间发射时的动力学特性,特作如下假设:
1)不考虑固定、滑移、转动等连接铰的间隙,均设为理想约束;
2)独立悬挂系统用等效弹簧阻尼模型替代;
3)除发射车底盘、导轨为柔性体外,其余部件均为刚体;
4)不考虑发射过程中导弹的变质量特性。
1.2 柔性结构建模
考虑到系统各结构特性对发射过程的影响程度,对整车模型中的底盘和导轨结构部件进行柔性化处理,主要包括两个步骤:
1)利用有限元分析软件对部件实体模型进行结构化网格划分,对附着点(施加力与约束副的外部节点)和柔体与相邻部件实际连接区域内的节点建立梁单元或者刚性连接,对有限元模型进行模态计算得到模态中性文件(.mnf);
2)在Adams软件中导入上述文件生成柔性体模型,根据其与相邻部件的连接关系,对外部节点施加约束。
1.3 轮胎建模
Adams软件提供了多种轮胎模型,考虑行进间发射动力学问题的特点,采用FTire轮胎模型[4-5],FTire模型以刚性环刷子模型和柔性环模型为基础,结合有限元思想发展,具有高度的非线性,能较准确反映路面不平度激励下的轮胎动态特性。FTire模型利用一个具有径向、切向、侧向刚度的弹性环描述轮胎带束层结构,弹性环由若干质量单元以及连接质量单元的非线性弹簧阻尼系统组成,不仅可以描述胎体径向振动变形,也能够满足行进间射击数值计算对轮胎侧偏特性的要求。在此基础上,该模型还引入了非线性摩擦力模型,其摩擦系数为压力和滑动速度的函数。另外,对于频率达到120 Hz的短波不平路面,FTire模型仍然具有较好的适用性。
1.4 路面建模
根据国家标准GB/T 7031—2005,采用垂直位移的单边功率谱密度来拟合路面不平度:
$\left\{\begin{array}{l} S(\Omega)=S\left(\Omega_{-}\right)\left(\frac{\Omega}{\Omega_{\mathrm{o}}}\right)^{-W}, \quad \Omega \in\left(\Omega_{-}, \Omega_{-}\right) \\ 0, \quad \text { 其它 } \end{array}\right.$
其中:Ω为空间频率,是波长的倒数,单位:m-1;当Ω=0.1 m-1时,称其为参考空间频率,用Ωo表示;S(Ωo)为参考空间频率下的功率谱密度值;W为频率指数,取值为2,(Ω1,Ω2)为有效空间频率范围,应该覆盖整车的固有频率,一般取为(0.011 m-1,2.83 m-1)。
针对路面不平度的数值模拟问题,采用IFFT时域建模方法,图2为使用IFFT方法得到的功率谱密度与理论值的对比结果图。
2 仿真与结果分析
车载防空导弹行进间发射时受到随机路面振动激励的影响,一次仿真结果不具有代表性,因此对同一种工况进行大量次数的仿真,将导弹出筒时刻姿态的均值、方差和最值作为其评价指标。
2.1 不同车速情况
考虑车速对行进间发射的影响,以C级路面为例,车速分别为20 km/h、25 km/h、30 km/h,进行发射动力学仿真,弹出筒相关姿态俯仰角位移θx、偏航角位移θz、俯仰角速度ωx和偏航角速度ωz正态分布的均值、方差和最值估计值如表1所示。
表1 不同车速时导弹出筒姿态仿真结果 |
| 车速/(km/h) | θx/(°) | θz/(°) | ωx/((°)/s) | ωz((°)/s) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 均值 | 0.104 | 0.117 | 1.324 | 1.024 |
| 方差 | 0.005 | 0.007 | 0.523 | 0.493 | |
| 最值 | 0.265 | 0.398 | 3.235 | 3.426 | |
| 25 | 均值 | 0.112 | 0.128 | 1.356 | 1.312 |
| 方差 | 0.005 | 0.008 | 0.584 | 0.830 | |
| 最值 | 0.298 | 0.446 | 3.439 | 3.912 | |
| 30 | 均值 | 0.119 | 0.131 | 1.368 | 1.372 |
| 方差 | 0.007 | 0.012 | 0.639 | 0.961 | |
| 最值 | 0.495 | 0.462 | 4.968 | 4.437 |
由各车速工况下导弹出筒姿态的仿真结果可以得到,随着车速的增加,导弹出筒时刻的俯仰角位移θx、偏航角位移θz、俯仰角速度ωx和偏航角速度ωz均增大,即导弹的出筒姿态均更加恶劣。
2.2 不同路面情况
表2 不同等级路面导弹出筒姿态仿真结果 |
| 路面等级 | θx/(°) | θz/(°) | ωx/((°)/s) | ωz/((°)/s) | |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 均值 | 0.040 | 0.115 | 1.224 | 0.284 |
| 方差 | 0.001 | 0.003 | 0.135 | 0.210 | |
| 最值 | 0.156 | 0.229 | 2.823 | 1.956 | |
| B | 均值 | 0.081 | 0.116 | 1.292 | 1.003 |
| 方差 | 0.002 | 0.005 | 0.483 | 0.402 | |
| 最值 | 0.272 | 0.314 | 3.027 | 2.842 |
由不同路面等级下导弹出筒姿态的仿真结果可以得到,随着路面等级的降低,导弹出筒时刻的俯仰角位移、俯仰角速度、偏航角速度和偏航角位移均增大,即导弹的出筒姿态均更加恶劣。
3 结论
建立了车载防空导弹多柔体系统行进间发射动力学模型,针对不同车速以及不同路面等级对行进间发射过程进行数值仿真,研究不同因素对导弹出筒姿态的影响规律和影响程度。仿真结果显示,车速越大,导弹出筒姿态越恶劣;路面情况越差,导弹出筒姿态越恶劣。