基于ADAMS和ANSYS的某炸弹架锁制机构仿真分析

王占富，陈 晖，谢丽萍，孙世峰

（1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009；2.清华大学医学院，北京100084；3.中国人民解放军93016部队，吉林 公主岭136100）

0 引言

锁制机构是炸弹架的重要部件。在炸弹架投放炸弹过程中，施加在锁制机构各零件的载荷复杂多变，易产生应力集中，机构卡滞，造成解锁不顺畅，而影响炸弹投放的分离安全性。所以正确分析锁制机构的受力情况对改善其工作性能尤为重要。由于锁制机构解锁投放炸弹过程的每一个循环周期内，机构中的各零件所处的位置及所受的载荷是不断变化的，通过数学建模方法仅求解确定一个工况状态条件下的运动特性就需花费大量时间，所以很难对该机构进行符合实际工况条件的应力分析。通过在ADAMS软件中建立动力学模型，仿真求解出锁制机构一个解锁投放炸弹过程循环周期内的运动特性，以此作为ANSYS应力分析所需的边界条件与载荷［1－2］。基于该方法，以锁制机构中的关键零件锁制钩为例，分析得出其符合实际工况的应力分析，以此为依据，提出了锁制机构后续结构优化设计措施。

1 仿真分析流程

基于该方法的仿真分析主要分为5个步骤：在UG中建立锁制机构的三维模型；将UG模型转换的Parasolid格式的文件导入ADAMS中，建立锁制机构的虚拟样机模型，计算并添加外部载荷，设置解锁力驱动函数；在ADAMS中进行运动学与动力学仿真分析［3］，仿真完成后，导出载荷文件；将锁制钩模型导入ANSYS中，建立锁制钩有限元模型，根据ADAMS导出的载荷文件为锁制钩施加载荷；在ANSYS中进行有限元仿真［4］，输出应力、变形分布云图并分析。仿真分析流程如图1所示。

图1 仿真分析流程

2 锁制机构运动与动力特性仿真

2.1 虚拟样机建模

锁制机构是炸弹投放架中较为复杂的部件，将在UG中建立好的锁制机构三维实体模型转换为Parasolid格式文件导入ADAMS中，通过简化，在ADAMS虚拟样机动力学模型中共有16个零件、16个转动副、8个接触副、2根弹簧、2个预紧扭矩和1个阶越函数驱动力。与炸弹投放架壳体固铰的8个转动副引入8个摩擦力，其中动摩擦系数0.1，静摩擦系数0.2。

虚拟样机模型的弹簧采用理想弹簧模型，即不考虑弹簧的阻尼效果，并且不考虑电路延迟效果。因此，模型的仿真结果的运动特性会比实际样机略偏快。

2.2 解锁力仿真

解锁力施加曲线如图2所示。力方向向下，通过仿真分析可得，解锁力峰值为特定要求条件下，锁制机构在规定解锁时间内，能够可靠安全解锁，投放炸弹。

图2 解锁力施加曲线

2.3 锁制钩运动学分析

在解锁投放炸弹过程，锁制钩运动过程前、后锁制钩角度变化如图3、图4所示，前、后锁制钩水平最大摆动角度分别为20.6°、20.5°，基本一致。所述锁制钩运动分析满足设计值要求。

图3 前锁制钩角度变化

图4 后锁制钩角度变化

2.4 锁制钩接触力分析

对锁制机构中的关键零件前、后锁制钩与炸弹吊耳处接触力分析，图5、图6为前、后锁制钩与炸弹吊耳处接触力曲线图，因炸弹重心距离两吊耳之间位置靠后，所以后锁制钩与炸弹吊耳处接触力值大于前锁制钩与炸弹吊耳处接触力值。前锁制钩与炸弹吊耳处接触力峰值为2 582N，挂载炸弹及锁制机构解锁过程中，接触力稳定值1 380N，炸弹投放之后接触力为0；后锁制钩与炸弹吊耳处接触力峰值为3 967N，挂载炸弹及锁制机构解锁过程中，接触力稳定值2 166N，炸弹投放之后接触力为0。

图5 前锁制钩与炸弹吊耳处接触力

图6 后锁制钩与炸弹吊耳处接触力

3 锁制钩应力分析

将锁制机构关键零件锁制钩UG三维模型，通过Parasolid格式导入ANSYS进行有限元分析。锁制机构的其他零件可以参照锁制钩的分析方法进行。

将前述ADAMS动力学仿真计算的锁制钩接触力载荷代入锁制钩有限元模型中。由于前、后锁制钩结构基本一致，所以为了简化模型，只计算后锁制钩最大接触力载荷下应力即可。

计算边界条件为在锁制钩接触面圆柱副约束，安装孔简单支撑，在锁制钩挂载炸弹工作面施加作用力为3 967N。锁制钩应力分布如图7所示，最大应力为308.52MPa；锁制钩变形分布如图8所示，最大变形为0.065mm，变形微小，可忽略，不会影响锁制机构工作过程。

图7 锁制钩应力分布

图8 锁制钩变形分布

不锈钢材料强度极限1 310MPa，远大于计算最大应力308.52MPa，满足设计要求，并有较大的强度富余，可以进行进一步的优化设计。此外，存在应力集中现象，应力集中主要出现在锁制钩挂载炸弹工作面根部，在设计时应适当加大该位置圆角尺寸。

4 结束语

运用UG和ADAMS建立了某炸弹投放架锁制机构的虚拟样机模型。在ADAMS中对锁制机构进行运动学与动力学仿真，求解出了各零件的载荷曲线。将最大载荷作为危险工况导入ANSYS中进行有限元应力分析，使得锁制机构的应力分析更符合实际工况。基于该方法以锁制机构的关键零件锁制钩为例简述了分析步骤，其仿真结果为锁制机构的进一步改进优化设计提供了计算分析依据。并依此提出了结构优化设计措施。对于同类具有复杂工况的机构仿真分析提供了一种普遍方法。

［1］ 吴 宵，傅燕鸣，沈 斌.基于 ADAMS与 ANSYS Workbench的递纸机构应力分析［J］.机械设计与制造，2012，（9）：82－84.

［2］ 王 昕，陈海虹，王 鹏，等.基于ADAMS与ANSYS的挖掘机动臂仿真分析［J］.矿山机械，2012，40（8）：33－35，36.

［3］ 郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］ 李 兵，陈雪峰，卓 颉.ANSYS工程应用［M］.北京：清华大学出版社，2010.