具有自動定距和消減橫向過載效應的安全系統(tǒng)動態(tài)特性研究

1、具有自動定距和消減橫向過載效應的安全系統(tǒng)動態(tài)特性研究尚雅玲摘要：利用WorkingModel仿真軟件對導彈安全系統(tǒng)用雙轉子驅動的無返回力矩鐘表機構進行了計算機綜合仿真，研究結果表明，該安全系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動定距延期解除保險和有效消減橫向過載的影響。0引言對付空中目標的導彈空空、地空導彈，由于目標機動性的提高，要求導彈也具有很高的機動性，特別是在近距離格斗時導彈的回轉半徑應盡量小，相應地導彈所受橫向過載明顯增大，其所產生的負效應會明顯增強，將出現(xiàn)低軸向過載、高橫向過載的發(fā)射飛行環(huán)境。在這種工作環(huán)境下，導彈安全系統(tǒng)的設計面臨以下兩個基本問題：(1)如何設計安全系統(tǒng)的結構，將橫向過載的負效應減至最??；

2、(2)橫向過載的出現(xiàn)及其大小是非定常的，而對導彈延期解除保險距離的要求是確定的，導彈軸向過載因發(fā)動機推力在不同溫度下有不同的變化值，如何設計安全系統(tǒng)以便保證軸向過載變化，以及橫向過載有無及其大小不同時，導彈均能獲得大致相同的延期解除保險距離。本文針對上述兩個問題進行討論。2雙轉子驅動的無返回力矩鐘表機構及其受力分析為了實現(xiàn)不同軸向過載下對應的延期解除保險距離基本不變，最常見的是采用軸向過載驅動的無返回力矩鐘表機構1。由于無返回力矩擒縱調速器的振動周期與擒縱輪驅動力矩相關，力矩大時周期短，力矩小時周期長，這樣可以基本消除后坐過載變化的影響2、3。為了進一步消除橫向過載的影響，可以將驅動件設計成對

3、稱設置的偏心雙轉子結構，如圖1所示。這種結構可以同時消除軸向過載變化和橫向過載有無及其大小的影響。偏心雙轉子在主動段的受力分析如圖2所示。圖1偏心雙轉子結構圖2雙轉子在主動段的受力分析2.1兩個轉子因軸向加速度和橫向加速度所產生的力矩雷管轉子產生的力矩MD：MD=SDrCDcos180-(45+D+)+SLDrCDsin180-(45+D+)(1)平衡轉子產生的力矩MB：MB=SBrCBcos(B-45-)-SLDrCBsin(CB-45-)(2)式中SD=AAmD;SB=AAmB;SLD=ANmD;SLB=ANmB。式中SD、SA雷管轉子所受后坐力矩、平衡轉子所受后坐力矩；SLD、SLB雷管

4、轉子所受的橫向慣性力矩、平衡轉子所受的橫向慣性力矩；AA、AN導彈軸向加速度、導彈橫向加速度。當兩個轉子的轉軸采用微型軸承支撐時，軸向加速度和橫向加速度在軸承上產生的摩擦力矩可以忽略。rCD、RCB雷管轉子質心距軸心的距離、平衡轉子質心距軸心的距離；D、B雷管轉子質心初始角、平衡轉子質心初始角；mD、mB雷管轉子質量、平衡轉子質量；雷管轉子、平衡轉子的轉角。2.2兩個轉子的合成力矩MCMC=MD+MBMC=AAmDrCDcos(135-D-)+mBrCBcos(B-45-)+ANmDrCDsin(135-D-)-mBrCBcos(B-45-)(3)當雷管轉子與平衡轉子完全對稱時，下列等式成立：

5、mD=mB;rCD=rCB,D=B；135-D=B-45，上式中第二項即可消除，即雙轉子的橫向加速度的效應可以相互抵消，只剩軸向過載產生的驅動力矩。MC=AAmDrCDcos(135-D-)+mBrCBcos(B-45-)=2AAmDrCDcos(135-D-)(4)3基于WorkingModel的機構動態(tài)特性綜合仿真WorkingModel仿真軟件是由KnowledgeRevolutionCorp.開發(fā)的基于微機平臺的三維機構分析、動態(tài)仿真軟件，它運行于Windows95或WindowsNT上，具有優(yōu)化的用戶界面。它利用與之配套的各種專業(yè)三維CAD軟件(例如MDT-MechanicalDes

6、ktop)所建立的機構三維虛擬實體模型直接進行動態(tài)仿真，就象在真實世界一樣動作，無需用戶對機構的運動特性進行數(shù)學描述。同時還可以生成各種用戶所需仿真結果的數(shù)據(jù)和曲線。WorkingModel軟件從建模到仿真的流程圖如圖3所示。圖3WorkingModel3D的基本工作流程圖本文將完全利用WorkingModel的仿真稱為“完全虛擬樣機仿真”，即把三維虛擬樣機模型完整地作為WorkingModel的仿真對象，不對模型作任何簡化工作，完全按照實際情況進行仿真。d882006-02-21 20:42作者利用WorkingModel所進行的大量完全虛擬樣機仿真結果表明，對于運動傳遞環(huán)節(jié)比較多的復雜模型

7、，例如具有兩套過渡輪系的三中心無返回力矩鐘表機構，利用WorkingModel進行的完全虛擬樣機仿真需要很高的解算精度、很長的解算時間和很大的磁盤空間。這是因為無返回力矩擒縱機構的擒縱輪在轉動過程中其輪齒與平衡擺上的銷釘(或卡瓦)發(fā)生碰撞，形成平衡擺的振動，該振動再通過擒縱輪和傳動輪系傳遞到驅動件(轉子或齒條)上。這種不平穩(wěn)的運動傳遞，在擒縱輪軸齒與第二過渡輪片之間、第二過渡輪軸齒與第一過渡輪片之間、第一過渡輪軸齒與驅動件之間，以及各運動件與支撐件(如夾板)之間均存在約束和碰撞，圖4顯示了發(fā)生碰撞的碰撞點。實際計算表明解算一個三中心無返回力矩鐘表機構的安全系統(tǒng)在主動段內的運動特性，必須將仿真精

8、度設定為10-6ms，假如需要完成2s運動過程的仿真工作，在主頻為200兆的PC機上運行，需要5.5556102天即1.5432年、50104兆的硬盤空間，當內存不足時，會出現(xiàn)死機現(xiàn)象，仿真過程就進行不下去。 圖4鐘表機構運動時的碰撞點針對上述問題，本文提出一種“計算機綜合仿真方法”，即將仿真對象核心部分的虛擬實體完整地保留，而對它的非核心部分，通過對運動過程的分析，利用數(shù)學模型來表達其動態(tài)特性，即將整個仿真對象通過數(shù)學建模和虛擬實體建模予以綜合描述。將數(shù)學模型描述那部分結構的運動學和動力學特征加載到核心部分的虛擬實體上，再利用WorkingModel對它的運動學和動力學特性進行仿真，這樣就可

9、以解決前述的仿真時間過長、內存過大，以致在實踐上無法完成仿真任務的問題，同時又能夠準確地描述仿真對象的運動特性。對于無返回力矩鐘表機構，其核心部分是擒縱調速器，非核心部分是傳動輪系。核心部分和非核心部分的關系是力矩傳遞和運動傳遞，它們可以用數(shù)學模型的形式表達。因此，將擒縱調速器的虛擬實體完整地保留，而將驅動件通過傳動輪系向擒縱輪傳遞力矩的過程用數(shù)學模型表達，并加載到擒縱輪上，利用WorkingModel對擒縱機構的虛擬實體進行動力學仿真，得到擒縱輪的間歇運動規(guī)律，即轉角-時間關系，再通過傳動比得到驅動件的轉角-時間或位移-時間關系。為了利用WorkingModel對擒縱機構擒縱輪和平衡擺進行三

10、維虛擬實體動態(tài)仿真，需要建立擒縱等效驅動力矩數(shù)學模型和擒縱輪等效轉動慣量的數(shù)學模型。根據(jù)傳動原理兩個轉子的合成驅動力矩傳遞到擒縱輪上的等效驅動力矩MED為ME=234MC(N2N3N4)(5)式中2、3、4為平衡轉子齒輪與第一過渡輪齒軸、第一過渡輪與第二過渡輪齒軸、第二過渡輪與擒縱輪齒軸的嚙合效率；N2、N3、N4為平衡轉子齒輪與第一過渡輪齒軸、第一過渡輪與第二過渡輪齒軸、第二過渡輪與擒縱輪齒軸的速比。平衡轉子轉角a與擒縱輪轉角之間的關系為a=/N2N3N4(6)將式(6)代入式(3)，再代入式(5)，得擒縱輪的驅動力矩上式中除是變量外，其余均為常數(shù)。當雷管轉子與平衡轉子完全對稱時，橫向加速度

11、可以不考慮，擒縱輪的等效驅動力矩為：(8)折合到擒縱輪上的傳動輪系軸徑處的摩擦力矩(9)式中m1、m2、m3分別為第一過渡輪、第二過渡輪和擒縱輪三個部件的質量；d1、d2、dE分別為第一過渡輪、第二過渡輪和擒縱輪三個部件前后軸徑的直徑；f為摩擦系數(shù)。擒縱輪所受凈驅動力矩MER和MEDRMED=ME-Mf(10)MEDR=MED-Mf(11)式中ME和MED分別按式(7)和(8)計算。按照系統(tǒng)能量守恒原理，驅動件(轉子)和傳動輪系在運動時存在慣性，必須將轉子傳動輪系擒縱輪系統(tǒng)的轉動慣量折合到擒縱輪上，即擒縱輪的等效動能與系統(tǒng)的動能相等，因而有：(12)式中IED為擒縱輪部件的等效傳動慣量；ID、

12、IB、I1、I2、IE分別為雷管轉子部件、平衡轉子部件、第一過渡輪部件、第二過渡輪部件和擒縱輪部件的原始轉動慣量；*1、*2、*分別為第一、第二過渡輪和擒縱輪的角速度。由于將上面三個方程代入(12)式中，得擒縱輪的等效轉動慣量d882006-02-21 20:43replyview (13)4仿真結果及其分析選擇與美國MIM-104“愛國者”地空導彈配用的M143安全系統(tǒng)結構形態(tài)相同的雙偏心轉子驅動的無返回力矩鐘表機構作為仿真對象4，按本文提出的數(shù)學模型/三維虛擬實體綜合仿真方法進行仿真，取軸向過載AA、橫向過載AN不同的組合，仿真結果如圖511所示。圖5不同軸向和橫向過載下導彈飛行距離與時間的關系上述結果的數(shù)據(jù)匯總于表1。表1不同軸向過載和橫向過載組合下的轉子轉正時間與解除保險距離AA(g)AN(g)轉子轉正時間(s)解除保險距離(m)1002.845395.211502.2814382.6415382.3817417.352001.9704380.00從表1可以看出：(1)在相同橫向過載下軸向過載變化時，安全系統(tǒng)解除保險距離的變化范圍很小，說明利用