回转投放悬挂装置主接头动力学特性仿真技术研究

李娟

（航空工业郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州450005）

1 概述

主接头是回转投放悬挂装置的主要承力部件，具有锁闭及弹射投放功能。主接头处于锁闭状态时，实现悬挂物的挂载；主接头在高压气体作用下解锁后，实现装置及悬挂物的整体投放。悬挂状态时，主接头钢球锁结构由于非线性接触的不确定性、滑动摩擦系数突变，受到冲击振动后会发生连接形式的失效；回转投放过程中，整个装置及悬挂物从两点连接变为一点连接对后尾钩承力及回转结构的载荷影响，飞机高速飞行产生的气动载荷影响、载重量增大带来的投放载荷、回转过程重心位置的变化等耦合因素对投放运动轨迹的控制，为回转投放悬挂装置主接头动力学建模及分析技术研究难题[1]。

多体系统动力学的研究对象是由任意有限个构件组成的系统。构件之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束[2]。研究多体系统动力学，需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其它一些公式。目前应用于多刚体系统动力学的方法主要有以下几种:牛顿一欧拉法、拉格朗日方程法、罗伯森－维登伯格法和凯恩方法等[3]。ADAMS 软件是目前工程界应用最广泛且具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件，占据市场的51%。本文基于Adams 对主接头进行多体动力学仿真分析。

2 主接头工作原理

主接头主要由筒体、筒体环槽、活塞、锥形体、钢球或楔快组成。常见的主接头有钢球式主接头（如图1 所示）和楔块式主接头（如图2 所示）。钢球或楔快卡滞在筒体环槽和锥形体之间，实现筒体和锥形体的锁定，保证主接头构的悬挂功能实现；活塞在高压气体作用下运动，解除钢球或楔快在筒体环槽内的锁定，实现主接头的投放功能实现。钢球或楔块的承载能力直接关系到主接头在悬挂状态的锁闭稳定性，以及在投放状态下所需要的高压气体作动力。

3 动力学方程[4]

ADAMS 软件根据机械系统模型，自动建立系统的拉格朗日运动方程。对于每一个刚体，可以列出6 个广义坐标带乘子的拉格朗日方程及相应的约束方程：

图1 钢球式主接头模型

图2 楔快式主接头模型

对于上述代数微分方程的求解方法有多种，比如可将二阶微分方程降阶为一阶微分方程来求解，或直接对二阶微分方程进行积分求解。ADAMS 软件则采用了前一种方法，即将所有的拉格朗日方程均写成一阶微分方程形式，并引入u =∂q ∂t

得到：

式中 F = f (u ˙ , u , q , λ, t)，为系统动力学微分方程及用户定义的微分方程（如用于控制的微分方程、非完整约束方程）。同时ADAMS 软件列出6 个一阶运动方程（将位置与速度联系）：

此外还有系统约束方程、外力方程和自定义的代数微分方程，其表达式如下：

4 ADAMS 动力学仿真

在ADAMS 中建立主机头的仿真模型，并建立钢球或楔块与筒体、锥形体、活塞之间的接触力冲击函数。冲击函数法用弹簧-阻尼模型来表示，是根据impact 函数来计算两个构件之间的碰撞力，碰撞力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互侵入而产生的弹性力；另一个是由于相对速度产生的阻尼力[5]。

impact 函数的一般表达式为：

式中：k 为刚度系数；δ 为侵入深度； d δ/dt渗透速度；e为渗透深度的指数；Cmax为最大阻尼系数，用于表征接触能量损失；dmax是使阻尼达到最大值时的侵入深度；step 函数为阶跃函数。

通过运用Adams 对钢球式主接头和楔块式主接头进行动力学仿真分析，模拟回转投放悬挂装置挂载状态时的冲击试验环境，将国军标中规定的装置冲击试验方法和加速度冲击脉冲进行仿真模型表达，将冲击函数作为冲击仿真的输入，分析主接头机构是否会发生意外开钩，从而导致悬挂物意外释放。得出在冲击环境下，钢球式主接头的最大承载力为21875N，楔块式主机头的最大承载力为26250N。如图3 所示。

图3 挂载冲击环境钢球式主接头与楔块式主接头承载力

模拟回转投放悬挂装置投放环境，并耦合了整个装置及悬挂物从两点连接变为一点连接对主接头的载荷影响，飞机高速飞行产生的气动载荷影响、载重量增大带来的投放载荷、回转过程重心位置的变化等因素，分析主机头解锁、投放、分离的整个过程。得出在投放环境下，钢球式主接头所需最大解锁投放力为35281N，楔块式主机头所需最大解锁投放力为45866N。如图4 所示。

图4 挂载冲击环境钢球式主接头与楔块式主接头投放力

通过对比分析，得出回转投放悬挂装置挂载状态时，楔块式主机头的承载力是钢球式主接头的承载力的1.2 倍；但是投放环境，楔块式主机头的所需投放力是钢球式主接头的投放力的1.3 倍。

5 结论

通过ADAMS 对回转投放悬挂装置主接头进行建模和仿真，得出了楔块式主接头的承载能力高于钢球式主接头的承载能力，但是楔块式主接头所需要的开钩解锁力也高于钢球式主接头。在实际工作中，可以根据战机冲击环境、悬挂物的质量及重心位置选择合适的主接头结构形式。

通过应用Adams 对系统进行动力学仿真，为定量分析主接头的动力学特性提供参考，方便指导设计开发，有效缩短研制周期。