一种有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法

1.本发明涉及计算机仿真技术领域，具体涉及一种有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法。


背景技术：

2.上世纪70年代之前，由于技术水平的限制，武器通常采用的是裸露的导轨发射装置进行武器的发射，而随着后续科学技术的不断发展，武器系统整体性能不断提升，大部分的武器都开始采用发射筒发射装置进行发射。目前的发射筒通常都包含有发射筒箱体、托弹平台、脱插机构及适配器等。适配器是安装在武器与发射筒之间的弹性垫衬，又称作侧向减振支持系统，适配器的形状主要是根据发射筒的形状决定的。发射筒截面多为圆形和方形结构，圆形截面结构的发射筒采用的适配器多为圆弧瓣结构。适配器主要对武器起到支承、减振、导向及降低武器发射时初始扰动的作用。
3.作为发射系统的重要组成部分，适配器对整个发射系统起到重要的作用，发射体在发射筒中发射完成之前的时间段，适配器主要对武器起到支持的作用。由于其占据了武器装载在发射筒中的绝大部分的时间，因此要求适配器必须具有一定的静态抗压强度及刚度性能。当武器处于发射阶段，助推器点火、武器的弹射、剪切销的断裂及热发射时燃气流的作用都会引起武器强烈的振动，在武器离开发射筒前这些振动都会作用在武器上，从而影响武器的发射精度。目前多数研究都简化了适配器受力变形特征的表达，不能体现适配器的非线性力学特性，因此建立的模型具有一定的误差。因此，本发明针对适配器与导轨分离过程中，适配器预载荷沿竖直方向(从适配器顶端到底端)逐渐释放，即预压力变化具有非均匀性、不同步性和迟滞性的特点，提出了一种有预压适配器分离过程的仿真建模方案，采用虚拟样机技术进行模拟得到合理的模型方案，能够真实模拟适配器离轨过程的运动情况，保证仿真结果的准确性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法，能够真实模拟适配器离轨过程的运动情况，保证仿真结果的准确性，缩短研发周期，节省试验成本。该方法包括如下步骤：
5.基于特种发射系统特性，确定有预压适配器的组成部件、尺寸以及材料参数；
6.基于所述特种发射系统工作中产生的载荷和发射物体的承载能力大小，确定适配器预载荷量值与所述组成部件的非线性刚度特性；
7.建立实体部件与非线性弹簧相结合的所述预压适配器模型；
8.根据所述预压适配器模型建立虚拟样机，对所述特种发射系统工作中适配器受载过程进行模拟，优化所述非线性弹簧的数量和位置。
9.特别地，有预压适配器组成部件包括：海绵板、聚氨酯泡沫本体、分离弹簧；其中，聚氨酯泡沫本体与导轨接触配合，海绵板与发射体表面接触配合，分离弹簧一端与发射体
表面定位孔挤压配合，另一端与聚氨酯泡沫本体固定。
10.特别地，实体部件与非线性弹簧相结合的所述预压适配器模型中，实体部件包括聚氨酯泡沫本体，分离弹簧；海绵板采用非线性弹簧单元；其中所述分离弹簧采用线性弹簧单元。
11.特别地，所述实体单元中，聚氨酯泡沫本体利用材料本构关系模拟聚氨酯泡沫受力与形变；分离弹簧采用弹簧单元，利用至少一组线性弹簧给适配器施加分离力，其中，判断所述分离力对接触的作用面上是否有穿透；若未穿透则不作处理，若发生穿透，则在作用面上引入接触力，消除穿透；接触力计算公式如下
12.f＝kδ
13.其中，k为接触刚度；δ为穿透量。
14.特别地，适配器中所述海绵板作用力可表述为
[0015][0016]
其中f为适配器合作用力，fi为第i根海绵板非线性弹簧作用力，ki为第i 根海绵板非线性弹簧刚度，δdi为第i根海绵板非线性弹簧压缩量。
[0017]
适配器中所述海绵板的质心位置处力矩可表述为
[0018][0019]
其中m为适配器海绵板质心位置处力矩，li为第i根海绵板非线性弹簧距离海绵板质心的长度。
[0020]
特别地，对所述特种发射系统工作中适配器受载过程进行模拟，优化所述非线性弹簧的数量和位置包括：以有预压适配器分离时刻适配器俯仰角度作为参考指标，分别测试设置不同组数非线性弹簧时的模拟结果。
[0021]
有益效果：
[0022]
1.本发明针对适配器与导轨分离过程中，适配器预载荷沿竖直方向(从适配器顶端到底端)逐渐释放，即预压力变化具有非均匀性、不同步性和迟滞性的特点，提出了有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法；
[0023]
2.本发明提出了一种实体-非线性弹簧相结合的适配器模型方案，在有预压适配器仿真建模中具有广泛的通用性；
[0024]
3.本发明采用虚拟样机技术进行模拟得到合理的模型方案，能够真实模拟适配器离轨过程的运动情况，保证仿真结果的准确性，缩短研发周期，节省试验成本；
[0025]
4.本发明以有预压适配器分离时刻适配器俯仰角度作为参考指标，分别测试设置不同组数非线性弹簧时的模拟结果，保证仿真结果的真实和准确性。
附图说明
[0026]
图1为本发明中有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法的流程图；
[0027]
图2为本发明中适配器结构组成示意图；
[0028]
图3为本发明中海绵板非线性刚度特性曲线图；
[0029]
图4为本发明中有实体部件与非线性弹簧适配器模型原理示意图；
[0030]
图5为本发明中不同组数非线性弹簧与适配器分离过程俯仰角度关系图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0032]
本发明提供了一种有预压适配器与导轨分离的仿真建模方法，其流程如图 1所示，所述方法包括步骤：
[0033]
(1)基于特种发射系统特性，确定有预压适配器组成部件、主要尺寸以及材料参数：
[0034]
有预压适配器组成部件主要分为海绵板、聚氨酯泡沫本体、分离弹簧，其中，聚氨酯泡沫本体与导轨接触配合，海绵板与发射体表面接触配合，分离弹簧一端与发射体表面定位孔挤压配合，另一端与聚氨酯泡沫本体固定。图2为适配器结构组成示意图。本发明确定海绵板厚度为12mm，聚氨酯泡沫本体厚度为188mm，分离弹簧长度为80mm。海绵板材料密度为40kg/m3，弹性模量为0.008gpa，泊松比为0.38，聚氨酯泡沫本体材料密度为156kg/m3，弹性模量为0.08gpa，泊松比为0.3，屈服强度为0.8mpa，分离弹簧刚度为77.8n/mm；
[0035]
(2)基于发射系统工作中产生的载荷和发射物体的承载能力大小，确定适配器预载荷量值与海绵板非线性刚度特性：
[0036]
发射系统工作中适配器对发射体产生的压力载荷最大值为3
×
105n，图3 为海绵板非线性刚度特性曲线图，其预压量为3mm，预压载荷为10000n；分离弹簧具有线性刚度特性，其预压量为5mm，预压载荷为389n；
[0037]
(3)建立实体部件与非线性弹簧相结合的适配器模型：
[0038]
建立实体部件与非线性弹簧相结合的适配器模型，图4为实体部件与非线性弹簧适配器模型原理示意图。聚氨酯泡沫本体采用实体单元，利用材料本构关系模拟聚氨酯泡沫受力与形变；海绵板采用弹簧单元，利用弹簧非线性刚度特性表征海绵板只受压不受拉且受压刚度极大特性；分离弹簧采用线性弹簧单元，利用线性弹簧给适配器施加分离力。聚氨酯泡沫本体与导轨接触配合，海绵板与发射体表面接触配合。接触问题的处理对于仿真结果的准确性具有重要意义。处理不同的接触一般采用3种不同的算法：分配参数法、动力约束法、罚函数法。罚函数法具有较好的通用性，因此此处采用该算法。罚函数法相当于在穿透节点和作用表面之间设置一系列弹簧。每个时间步进行一次检查，判断各从节点是否对接触的作用面有穿透。若未穿透则不作处理，若发生穿透，则在作用面上引入一个较大的接触力，消除穿透。接触力计算公式如下
[0039]
f＝kδ
[0040]
其中，k为接触刚度；δ为穿透量。
[0041]
在实体部件与非线性弹簧相结合的适配器模型中至少需要两组海绵板非线性弹簧位于适配器四个拐角(其中一组为每行两根)，才能真实表征适配器预载荷沿竖直方向(从适配器顶端到底端)逐渐释放，即预压力变化具有非均匀性、不同步性和迟滞性的特点，图4为以两组四根海绵板非线性弹簧为例的实体部件与非线性弹簧适配器模型原理示意图，正视图中圆圈标注位置为海绵板非线性弹簧位置。
[0042]
适配器海绵板作用力可表述为
[0043][0044]
其中f为适配器合作用力，fi为第i根海绵板非线性弹簧作用力，ki为第i 根海绵板非线性弹簧刚度，δdi为第i根海绵板非线性弹簧压缩量。
[0045]
适配器海绵板质心位置处力矩可表述为
[0046][0047]
其中m为适配器海绵板质心位置处力矩，li为第i根海绵板非线性弹簧距离海绵板质心的长度。
[0048]
(4)采用虚拟样机技术对特种发射系统工作中适配器受载过程进行模拟，优化海绵板非线性弹簧数量与位置，在验证建模方法精确可靠的前提下，提高建模与计算效率，得到合理的模型方案：
[0049]
以有预压适配器分离时刻适配器俯仰角度为参考指标，将仿真结果与试验结果相比较。图5为不同组数非线性弹簧与适配器分离过程俯仰角度关系图。从图中可以看出非线性弹簧组数越多，结果越接近真实情况。只有两组非线性弹簧时，由于组数较少，平均到每组弹簧的压力较大，使得适配器在分离时刻出现内翻现象，即角度为负值，与实际情况偏差较大，该情况下计算时长为2h；当有三组非线性弹簧时，适配器分离时刻俯仰角度与试验结果趋势相近，但仍会出现俯仰角度下降的情况，该情况下计算时长为4h；当有四组非线性弹簧时，适配器分离时刻俯仰角度与试验结果趋势一致，且数值相近，该情况下计算时长为10h；当有五组非线性弹簧时仿真结果更接近真实情况，该情况下计算时长为20h。
[0050]
考虑非线性弹簧数量会影响建模与计算效率，综合考虑仿真效率与仿真误差，本发明选取四组非线性弹簧，由此确定合理的模型方案。
[0051]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0052]
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0053]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当
理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。