尚宇晴,付麗強(qiáng),劉 廣,涂 靜,吳 爍
(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)
隨著高科技的發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)武器系統(tǒng)的要求越來越高,武器系統(tǒng)必須具備快速機(jī)動(dòng)性能才能在戰(zhàn)場(chǎng)中靈活作戰(zhàn)。增強(qiáng)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)快速機(jī)動(dòng)能力的有效途徑主要包括系統(tǒng)智能化、集成化和行進(jìn)間發(fā)射。系統(tǒng)智能化指優(yōu)化系統(tǒng)配置、增加快速反應(yīng)能力;集成化指站(雷達(dá),主要用于目標(biāo)跟蹤、照射與導(dǎo)彈制導(dǎo))、彈(導(dǎo)彈,主要用于毀傷目標(biāo))、架(發(fā)射裝置,主要用于導(dǎo)彈發(fā)射控制)三位一體單車裝載;行進(jìn)間發(fā)射是指武器系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)行駛過程中執(zhí)行發(fā)射任務(wù),實(shí)現(xiàn)陸基武器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)能力。行進(jìn)間發(fā)射過程涉及多個(gè)領(lǐng)域,包括發(fā)射動(dòng)力學(xué)、車輛動(dòng)力學(xué)、多系統(tǒng)理論及現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算等多個(gè)學(xué)科[1]。戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射過程中,系統(tǒng)內(nèi)部受力與運(yùn)動(dòng)情況較為復(fù)雜以及不確定因素較多,若依靠實(shí)地試驗(yàn)進(jìn)行模擬,需要大量人力與財(cái)力的投入并且現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在一些不可控因素,所以,在試驗(yàn)前進(jìn)行較準(zhǔn)確的仿真模擬顯得尤其必要,可為后續(xù)實(shí)戰(zhàn)發(fā)射提供理論支持。
針對(duì)戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)的分析,早在1970年,美國陸軍裝甲兵工程委員會(huì)[2-3]就已經(jīng)對(duì)各種裝甲車輛行進(jìn)間的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了評(píng)估與論證。Samir[4]通過建立有限元模型,對(duì)射擊載荷和路面激勵(lì)條件下的坦克炮塔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。近幾年,趙波等[5]結(jié)合防空導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)行進(jìn)間發(fā)射技術(shù)的使用意義、裝備特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。史力晨等[6-7]就坦克在不平地面上行駛時(shí)車體-火炮系統(tǒng)的振動(dòng)問題進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與分析,旨在通過建立雙側(cè)不平地面以及坦克車體與火炮的相互模型,反映車體的振動(dòng)對(duì)火炮運(yùn)動(dòng)的影響。
本文所研究的防御戰(zhàn)車融入了“高度集成”的基本設(shè)計(jì)思路,巧妙地將系統(tǒng)指揮控制與通信、目標(biāo)搜索與跟蹤、火力控制、發(fā)射控制、火力攔截等諸多功能進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)跟蹤、制導(dǎo)和發(fā)射的單車一體化設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確評(píng)估防御戰(zhàn)車行進(jìn)間火炮和導(dǎo)彈發(fā)射的動(dòng)態(tài)性能[8-9],需對(duì)車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱等關(guān)鍵部件進(jìn)行柔性體建模,如此龐大的系統(tǒng),其柔性體建模和求解具有較大的難度。依據(jù)防御戰(zhàn)車三維實(shí)體模型、懸掛模型、輪胎模型、路面(譜)模型,基于有限元軟件MSC.Patran/Nastran 和多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS 建立了防御戰(zhàn)車的多體功能型虛擬樣機(jī)模型;對(duì)防御戰(zhàn)車進(jìn)行了較全面的虛擬仿真試驗(yàn),獲得了防御戰(zhàn)車行進(jìn)間火炮和導(dǎo)彈發(fā)射的動(dòng)力學(xué)特性,評(píng)估了防御戰(zhàn)車的發(fā)射穩(wěn)定性。
防御戰(zhàn)車由底盤、油機(jī)艙、設(shè)備艙、雷達(dá)、發(fā)射裝置等組成,其中雷達(dá)包括雷達(dá)陣面和基座,發(fā)射裝置主要包括轉(zhuǎn)塔、炮塔、火炮、發(fā)射箱,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)塔在工作狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)360°方位回轉(zhuǎn),發(fā)射架安裝在轉(zhuǎn)塔上,固定在發(fā)射架上的發(fā)射箱在接受指令后可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成要求角度的高低調(diào)轉(zhuǎn),并根據(jù)發(fā)射指令完成導(dǎo)彈發(fā)射;炮塔安裝在轉(zhuǎn)塔上,與導(dǎo)彈發(fā)射架共方位調(diào)轉(zhuǎn),并可根據(jù)火控指令控制火炮俯仰角度(0°~85°),獨(dú)立進(jìn)行高低指向瞄準(zhǔn)與射擊。
圖1 防御戰(zhàn)車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology diagram of defense combat vehicle
根據(jù)虛擬樣機(jī)建模規(guī)則,其模型的建立是一個(gè)由剛到柔、逐步細(xì)化的過程,因此在建立單側(cè)提拉發(fā)射系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型之前需要先建立多剛體動(dòng)力學(xué)模型。
根據(jù)防御戰(zhàn)車的三維幾何模型,通過ADMAS/Exchange 接口程序以Parasold 中性文件格式將三維模型導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)建模平臺(tái)ADAMS/View 中,在ADAMS/View 中根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系定義各種約束和力,從而構(gòu)建防御戰(zhàn)車的多剛體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型。為簡(jiǎn)化虛擬樣機(jī)模型,將防御戰(zhàn)車中有固定聯(lián)接關(guān)系或相互之間沒有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的所有結(jié)構(gòu)定義成單獨(dú)剛體。防御戰(zhàn)車多剛體動(dòng)力學(xué)模型中各個(gè)部件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)各部件的三維實(shí)體模型和材料屬性由ADAMS/View 自動(dòng)計(jì)算獲取。
為了建立精度更高的防御戰(zhàn)車動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型且更加真實(shí)地模擬行進(jìn)間發(fā)射的動(dòng)力學(xué)特性,車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱等部件的彈性變形是不容忽視的,因此需要建立車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱等部件的柔性體模型[10-11]。
柔性體模型的建立過程為:在有限元建模軟件MSC.Patran中對(duì)車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱進(jìn)行網(wǎng)格離散化以及一系列的相關(guān)定義后生成有限元模型輸入文件(*.bdf),然后提交給有限元求解器MSC.Nastran 進(jìn)行模態(tài)計(jì)算并自動(dòng)生成模態(tài)中性文件(*.mnf),最后在MSC.ADAMS 中使用Flex 接口來讀取模態(tài)中性文件,從而定義車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱的柔性體模型。
ADAMS 中表示柔性體的方法是Craig-Bampton模態(tài)綜合法。基于Craig-Bampton 模態(tài)綜合法,在ADAMS 中構(gòu)建的車架、轉(zhuǎn)塔、發(fā)射架、發(fā)射箱的柔性體模型如圖2所示。
圖2 柔性體模型Fig.2 Flexible body model
2.3.1減震彈簧建模
防御戰(zhàn)車的懸架減震彈簧是油氣彈簧,油氣彈簧模型是一種非線性彈簧-阻尼模型,本文采用油氣彈簧實(shí)測(cè)的載荷-位移曲線通過樣條曲線來定義減震彈簧的力學(xué)特性。防御戰(zhàn)車的懸架減震彈簧如圖3所示,油氣彈簧載荷隨變形變化的曲線如圖4所示(變形量為負(fù)表示壓縮,變形量為正表示拉伸)。
圖3 懸架減震彈簧模型Fig.3 Suspension damping spring model
圖4 彈簧載荷隨變形變化曲線Fig.4 Variation curve of spring load with deformation
2.3.2導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力和高炮后座力建模
導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力和高炮后座力用方向隨其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)一起改變的單向力來模擬,通過Akima 樣條插值函數(shù)AKISPL來實(shí)現(xiàn),其函數(shù)表達(dá)式為
式中:time 為仿真分析的當(dāng)前時(shí)間;model1.spline_n 是發(fā)動(dòng)機(jī)的試車推力曲線或高炮后座力實(shí)測(cè)曲線。
Akima樣條插值是一種簡(jiǎn)便、快速、保形性好的分段三次多項(xiàng)式插值方法,Akima 分段三次多項(xiàng)式的含義是在每2 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間建立1 個(gè)三次多項(xiàng)式曲線方程,要求整條曲線上具有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)以保證曲線的光滑性。
導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線如圖5所示,火炮后座力曲線如圖6所示,最大后座力為72 kN,作用時(shí)間約2.5 s。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線Fig.5 Engine thrust curve
圖6 火炮后座力曲線Fig.6 Artillery recoil curve
2.3.3接觸力建模
采用非線性的并聯(lián)彈簧和阻尼來模擬模型中導(dǎo)彈與導(dǎo)軌、懸架限位器間的接觸力,接觸過程中考慮了Coulomb摩擦效應(yīng),其接觸力計(jì)算公式為
式中:K為剛度系數(shù);C為阻尼系數(shù);e為非線性指數(shù);δ和分別為穿透深度和穿透速度。
接觸力參數(shù)定義如表1所示。
表1 碰撞約束力仿真參數(shù)取值Tab.1 Collision binding force simulation parameters
防御戰(zhàn)車行駛過程中,路面不平整會(huì)引起車體振動(dòng),從而影響導(dǎo)彈和火炮的行進(jìn)間發(fā)射[12]。本文利用ADAMS 軟件中Sayers 經(jīng)典模型進(jìn)行描述,Sayers 模型[13-14]是基于大量的實(shí)測(cè)路面數(shù)據(jù)而建立的。
Sayers 經(jīng)驗(yàn)?zāi)P筒捎檬剑?)來描述路面功率譜密度,即
式中:Ge為位移譜密度;Gs為速度譜密度;Ga為加速度譜密度;n為空間頻率。根據(jù)ADAMS 路面模型標(biāo)準(zhǔn),Ge、Gs與Ga為同一路面模型的不同參數(shù),定義其中一個(gè),另外兩個(gè)即可通過轉(zhuǎn)換得出。各等級(jí)路面中Sayers模型Gs值見表2。
表2 標(biāo)準(zhǔn)路面Sayers模型中Gs參數(shù)Tab.2 Gs parameters in Sayers model of standard road
在建立防御戰(zhàn)車多剛體模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合關(guān)鍵部件柔性體模型、特殊力元模型和路譜模型,在ADAMS 仿真平臺(tái)中建立了防御戰(zhàn)車的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型,如圖7所示。模型自由度為690,部件個(gè)數(shù)為75,彈性體個(gè)數(shù)為10,圓柱副個(gè)數(shù)為10,旋轉(zhuǎn)副個(gè)數(shù)為66,固定副個(gè)數(shù)為31,運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)為12。
圖7 防御戰(zhàn)車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型Fig.7 Rigid-flexible coupling virtual prototype model of defense combat vehicle
防御戰(zhàn)車的多體動(dòng)力學(xué)方程為
式中:q、和分別為多體系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)及其對(duì)時(shí)間的一階、二階導(dǎo)數(shù);M(q,t)為多體系統(tǒng)的廣義質(zhì)量矩陣;Φ(q,t)和Φq(q,t)為多體系統(tǒng)的約束函數(shù)向量及其對(duì)廣義坐標(biāo)q的雅克比矩陣;λ為約束的拉格朗日乘子;為廣義外力向量。
由于防御戰(zhàn)車多體動(dòng)力學(xué)模型中的彈性體規(guī)模較大并且存在彈性體接觸問題,因此本文利用HHTI3(Hilbert-Huang transform-I3)方法離散防御戰(zhàn)車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解[15]。
式中:α=(1-γ)2/4(δ=1/2-γ,γ∈[-1/3,0])。HHT-I3法中,數(shù)值阻尼的大小與參數(shù)γ的選擇有關(guān),γ越小系統(tǒng)的能力耗散越多,當(dāng)γ=0時(shí),HHT-I3法將退化為梯形法。
為了能準(zhǔn)確地預(yù)估防御戰(zhàn)車在典型工況下的動(dòng)力學(xué)性能,需要對(duì)所建立的防御戰(zhàn)車動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)虛擬樣機(jī)模型的常用方法有:主觀確認(rèn)法、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)法及頻譜分析法等[16]。主觀確認(rèn)法、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)法都是定性方法,校驗(yàn)精度相對(duì)較低;頻譜分析法是定量方法,它通過比較仿真模型輸出頻譜與試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試頻譜的一致性來確認(rèn)仿真模型的有效性,適用于虛擬樣機(jī)模型動(dòng)態(tài)性能的驗(yàn)證。
對(duì)于防御戰(zhàn)車動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型,需要確保其發(fā)射過程中動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確性,因此采用頻譜分析法對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。防御戰(zhàn)車虛擬樣機(jī)模型的校驗(yàn)過程是:在相關(guān)參數(shù)靈敏度分析的基礎(chǔ)上,調(diào)整虛擬樣機(jī)中的模型參數(shù),使防御戰(zhàn)車底盤的模態(tài)頻率、振型與底盤車廠試驗(yàn)結(jié)果一致。表3給出了底盤的模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,圖8 給出了底盤一階、二階模態(tài)振型。
表3 底盤模型校驗(yàn)Tab.3 Chassis model checking
圖8 底盤模態(tài)振型Fig.8 Chassis mode shapes
通過對(duì)比,仿真得出的底盤模態(tài)與實(shí)測(cè)底盤的模態(tài)誤差僅為4%,說明該戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性較高,可用作防御戰(zhàn)車行進(jìn)間火炮與導(dǎo)彈發(fā)射的動(dòng)力學(xué)特性分析。
本文所研究的防御戰(zhàn)車發(fā)射系統(tǒng)包含火炮與導(dǎo)彈兩種發(fā)射方式,故分別對(duì)戰(zhàn)車在行進(jìn)間發(fā)射火炮與導(dǎo)彈兩種典型工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。
考核較嚴(yán)酷的工況,戰(zhàn)車以規(guī)定的速度行駛在四級(jí)路面上,轉(zhuǎn)塔方位角90°,發(fā)射箱轉(zhuǎn)至最大高低角,火炮高低射角0°條件下進(jìn)行火炮射擊動(dòng)力學(xué)仿真。其中,火炮射擊后座力作用時(shí)間為2.5 s,后座力為72 kN,仿真結(jié)果如圖9~11所示。
圖9 火炮行進(jìn)間發(fā)射輪胎垂向力曲線Fig.9 Vertical force curve of tire during the marching launch of gun
圖10 火炮行進(jìn)間發(fā)射車體垂向和橫向位移曲線Fig.10 Vertical and lateral displacement curves of vehicle body during the marching lunch of gun
圖11 火炮行進(jìn)間發(fā)射車體側(cè)傾角和角速度曲線Fig.11 Curves of inclination and angular velocity of vehicle body during the marching lunch of gun
從圖9 可以看出:戰(zhàn)車以規(guī)定速度行駛在四級(jí)路面進(jìn)行火炮行進(jìn)間發(fā)射的過程中,較大的后座力使整個(gè)戰(zhàn)車發(fā)生了較大側(cè)傾,輪胎上的最大瞬時(shí)載荷在100 kN 左右,并且車體一側(cè)的輪胎出現(xiàn)了一次瞬時(shí)脫離地面。從圖10可以看出:在2.5 s火炮射擊后座力作用時(shí)間范圍內(nèi),車體在垂向振動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生了一定量的橫向漂移。從圖11可以看出:火炮行進(jìn)間發(fā)射過程中,車體發(fā)生了一個(gè)周期的側(cè)傾振動(dòng),車體側(cè)傾擺動(dòng)的最大側(cè)傾角為4.7°左右,最大側(cè)傾角速度為17°/s左右。綜合圖9~11 可以看出:2.5 s 的火炮射擊后座力作用時(shí)間內(nèi),車體雖然發(fā)生了一定的橫向漂移,側(cè)傾振動(dòng)幅值較大,但不會(huì)發(fā)生翻車。
戰(zhàn)車以規(guī)定的速度行駛在二級(jí)路面上,轉(zhuǎn)塔方位由0°調(diào)轉(zhuǎn)至90°,同時(shí)發(fā)射箱高低由0°調(diào)轉(zhuǎn)至規(guī)定最大角度,之后導(dǎo)彈發(fā)射,仿真結(jié)果如圖12~13所示。
圖9 火炮行進(jìn)間發(fā)射輪胎垂向力曲線Fig.9 Vertical force curve of tire during the marching launch of gun
圖10 火炮行進(jìn)間發(fā)射車體垂向和橫向位移曲線Fig.10 Vertical and lateral displacement curves of vehicle body during the marching lunch of gun
圖11 火炮行進(jìn)間發(fā)射車體側(cè)傾角和角速度曲線Fig.11 Curves of inclination and angular velocity of vehicle body during the marching lunch of gun
圖13 導(dǎo)彈行進(jìn)間發(fā)射彈體俯仰角和俯仰角速度Fig.13 Pitch angle and pitch angle velocity of the missile body during the marching lunch of missile
從圖12可以看出:戰(zhàn)車以規(guī)定速度行駛在二級(jí)路面進(jìn)行導(dǎo)彈行進(jìn)間發(fā)射過程中,車體只發(fā)生了小幅側(cè)傾振動(dòng),最大側(cè)傾角為0.4°左右,最大側(cè)傾角速度為0.2°/s 左右。從圖13 可以看出:在規(guī)定最大發(fā)射角度下,導(dǎo)彈出箱時(shí)刻的俯仰角速度為15.1°/s 左右,出筒過程中彈體不會(huì)與箱體發(fā)生干涉,導(dǎo)彈發(fā)射安全可靠。
為確定該戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射的穩(wěn)定性以及驗(yàn)證本文所建立的虛擬樣機(jī)模型的正確性,進(jìn)行了戰(zhàn)車實(shí)地發(fā)射試驗(yàn),對(duì)戰(zhàn)車進(jìn)行了火炮與導(dǎo)彈的行進(jìn)間發(fā)射試驗(yàn)。表4給出了部分仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比。
表4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison between simulation results and experimental data
從實(shí)地發(fā)射試驗(yàn)可以看出,戰(zhàn)車能夠以規(guī)定速度行駛在四(二)級(jí)路面實(shí)現(xiàn)火炮(導(dǎo)彈)行進(jìn)間發(fā)射,動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果基本一致。前期的動(dòng)力學(xué)建模與仿真有效指導(dǎo)了防御戰(zhàn)車的改進(jìn)設(shè)計(jì),確保了分離試驗(yàn)一次成功。
依據(jù)防御戰(zhàn)車三維實(shí)體模型、懸掛模型、輪胎模型、路面(譜)模型,基于有限元軟件和多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了防御戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)行了火炮和導(dǎo)彈發(fā)射兩種典型工況下動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到如下結(jié)論:
1)戰(zhàn)車以規(guī)定速度行駛在四級(jí)路面,轉(zhuǎn)塔方位90°,多發(fā)火炮水平連射過程中,車體一側(cè)的輪胎會(huì)短暫脫離地面,之后會(huì)迅速與地面接觸;車體發(fā)生了橫向漂移,雖然發(fā)射裝置振動(dòng)幅度較大,但不會(huì)發(fā)生翻車。仿真結(jié)果表明,能夠?qū)崿F(xiàn)四級(jí)路面上的火炮行進(jìn)間發(fā)射。
2)戰(zhàn)車以規(guī)定速度行駛在二級(jí)路面,轉(zhuǎn)塔方位90°,發(fā)射架轉(zhuǎn)至最大高低角導(dǎo)彈發(fā)射過程中,導(dǎo)彈出箱時(shí)刻的俯仰角速度約為15.1°/s,出箱過程中箱彈不會(huì)發(fā)生干涉。仿真結(jié)果表明,能夠?qū)崿F(xiàn)二級(jí)路面上的導(dǎo)彈行進(jìn)間發(fā)射。
3)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與發(fā)射分離試驗(yàn)結(jié)果基本一致,動(dòng)力學(xué)建模與仿真有效指導(dǎo)了防御戰(zhàn)車設(shè)計(jì),確保了分離試驗(yàn)一次成功。