导弹发射车液压起竖系统性能仿真研究.pdf

导弹发射车液压起竖系统性能仿真研究二炮装备研究院第三研究所王克军孙建摘要本文论述了对导弹发射车液压起竖系统性能进行仿真的重要性和必要性，给出了液压起竖性能仿真系统的组成框图，并对实现性能仿真所涉及的几项关键技术进行了阐述和说明主题词仿真、液压系统、发射’1 引言仿真技术集成了系统分析、控制理论和计算机等多领域学科的知识，成为分析、研究、辅助设计和人员训练不可缺少的手段，在军事航天领域也得到了越来越广泛的应用液压系统性能仿真作为系统仿真的一个分支，为液压系统的设计、优化与控制，特别是动态工作性能的提高，提供了一种有力的技术手段导弹发射车的快速反应能力是衡量导弹武器系统作战效能的重要指标，快速起竖技术是快速反应能力的关键技术之一起竖过程中的启动、换级及减速的冲击过载一直制约起竖速度的提高，过大的冲击过载易对车架、发射筒及弹上仪器造成破坏利用数字化仿真技术，建立正确表达起竖性能的仿真模型，研究发射车液压起竖系统的动态特性，确定同时满足快速起竖和系统安全性、可靠性要求的最优化设计方案，不仅适用于现役型号导弹发射车液压起竖系统的优化改型研究，而且对新型号发射车起竖系统性能的论证评估也是个有效积极的技术手段。

2 仿真系统的组成及功能2 ．1 系统组成如图1 所示，发射车液压起竖仿真系统采用多平台分布联网交互模式，其中起竖动力学仿真平台和液压系统仿真平台为客户机，协调控制中心为服务器，客户／服务器体系通过中央交换机( 集线器) 实现网络连接整个平台支持 多领域仿真软件协同工作，遵循I l i a 规范实现各仿真工具开发模型的协同仿真，同时提供服务支持仿真过程中的数据管理，提供V R ／可视化服务实时显示仿真效果该平台分别基于标准的对象服务中间件( 如C O R B A ／C O M ／E J B ／．N E T ／W e bs e r v i c e s 等) 和H L A ／R T I 规范提供两条软总线，实现仿真研究中单系统仿真与多领域协同仿真两阶段的集成管理多领域仿真设计工具、数据管理P D M平台、协同设计仿真管理服务，通过支撑平台提供的基于软任务诅度疆教据传输总线圈1 发射车起竖仿真系统组成框图，总线的A P I 接口实现各功能模块之间的互相通讯，基于软总线和各适配器实现液压仿真平台、动力学仿真平台和协调控制中心的集成发射车液压起竖系统协同仿真平台基于H M ／R H 规范的集成步骤如下：( 1 ) 各工具根据仿真交互的接口需要，封装各自的工具环境，构建仿真引擎，仿真引擎对内负责领域模型的管理调度，对外负责和R T I 的交互；．( 2 ) 各领域的概念模型通过H I A ／R T I 映射建立仿真模型，与所在工具环境的仿真引擎一起构建成为协同仿真中的联邦成员；( 3 ) 支撑平台的运行管理服务根据系统顶层的业务逻辑描述，启动、管理仿真过程。

2 ．2 系统功能( 1 ) 为液压系统的功率、流量、压力、负载等系统参数的优化选择和各元器件选型提供辅助决策，为新型号·4 8 ·导弹发射车液压起竖系统提供设计依据，达到可靠、快捷设计新型号导弹发射车液压系统的目的，缩短武器系统研制周期 2 ) 利用仿真技术，研究选定液压系统条件下优化发射方案的可行性，充分挖潜系统的设计潜力，使系统的性能得到进一步发挥，从而在不动用实装的前提下，对现役型号导弹发射车液压起竖系统进行仿真建模，研究其临界状态下的工作性能，实现已有型号导弹发射车液压起竖系统的改进和挖潜，解决起竖过程快速化与平稳性、振动、噪声、冲击等之间的矛盾，从而提高武器的快速反应能力和生存能力 3 ) 对液压起竖系统各元件、子系统的使用过程进行仿真，确定影响整个液压起竖系统使用寿命的关键元器件和子系统，建立和统计液压起竖系统及各元器件的性能参数与使用时间之间的变化关系，预测液压起竖系统的薄弱环节和液压元器件的使用寿命，从而提供维修依据和系统可靠性分析，并可在设计时对系统的薄弱环节进行一定的改进和处理，以延长武器系统的使用寿命3 关键技术3 ．1 导弹起竖过程分析．如图2 所示，起竖油缸通过支点1 与车架的安装点铰接，在发射平台调平后，液压系统的油源在电控系统 的控制下，为整个液压回路提供动力。

高压油在液压控制元件导引下，向执行机构——液压缸的正腔供油液压油缸通过2 点与发射筒绞接，高压油推动活塞杆和发射筒绕3 点转动，使发射筒( 含导弹) 从水平状态起竖到垂直的发射状态同时，发射筒的状态在整个起竖过程中也不断反馈给电控系统，使控制系统随时调整和控制导弹的起竖状态起竖油缸的受力分析如图3 所示坐标原点0 为负载回转中心，0 1 点为起竖油缸壳体与车架相连的回转中心，0 2 点为起竖油缸活塞杆与发射筒相连的回转中心设起竖臂绕回转轴转动了角，油缸活塞杆伸出使0 2 点移动至D 3 点，负载重力对回转轴的力矩为，起竖油缸上的力对回转轴的力矩应与平衡，由此可得： F = 赤( 1 )根据图3 可得： i n 7 n ：7 —竺些型兰兰( 2 )S= —：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =～上J ~ ／t t 2 + b 2 —2 a b ·c o s ( a + 0 1 )、7图2 发射起竖系统机一电一液组成示意图图3 起竖油缸受力分析简图将式( 2 ) 代人式( 1 ) 可求出起竖油缸的载荷与起竖角之间的关系典型情况如图4 所示设发射平台液压系统功率为形，在起竖过程中瞬时流量为Q ，活塞面积为A ，活塞运动速度为y ，油液压力为P ，则有： ．W = K l ·P ·Q( 3 )Q = K 2 ‘y ·A( 4 )·4 9 ·( 5 )足l 、砭为系数。

● 起竖速度取决于流量与活塞面积在流量一定情况下，起竖速度与活塞面积成反比，表明活塞面积越大则起竖速度越慢，平稳性越好，液压冲击及噪声越小；活塞面积越小则起竖速度越快，平稳性越差，液压冲击和噪声越强由式( 5 ) 可知，系统功率一定时，起竖速度不仅与活塞面积有关，而且与液压力有关液压系统由若干液压元件及管道连接而成，其动态特性不仅受到系统工作条件( 温度、载荷) 、各元件自身的动态特性、油液粘度、连接管道长度和通径、系统供油量、油液压力变化等因素影响，而且不同系列液压元件的不同连接方式组成的液压系统，其动态特性也有较大差异液压系统的工作压力由负载决定( 图3 ) 随着导弹绕回转中心起竖，整个负载相对于回转中心的重力力臂在不断变化，因此导弹起竖是一个变负载过程负载的变化引起液压系统工作压力的不断变化，使得油液压力变化具有较强的非线性特点，加剧了液压系统工作特性的不确定性由于其影响因素的复杂性及组成系统的元件的多样性，给液压系统动态特性的仿真建模工作带来很大困难如何对具有较强复杂性和非线性特点的发射车起竖液压系统进行仿真，解决快速发射和稳定性、振动、噪声之间的矛盾是仿真研究主要意义3 ．2 起竖系统多刚体动力学模型图4 油缸载荷与起竖角之间的关导弹起竖过程的基本要求是避免对导弹产生过大冲击，确保弹体结构和弹上仪器的安全。

在进行系统多刚体动力学模型建立过程中，需要考虑多级油缸动作过程中，活塞杆与油缸壳体、各级活塞杆之间的接触碰撞，以及随机风载荷等因素可见，发射起竖系统实质上是一个既有碰撞，又涉及变结构的复杂动力学系统要在规定时间内完成导弹的平稳起竖，必须对影响起竖性能的主要动力学要素进行较全面的定量分析，分析结论对研究快速起竖的可行性将具有重要意义发射起竖系统主要包括车架、液压系统及油缸、负载( 包括导弹和托架) 等部分，为了方便论述及简化分析，下面以二级双作用液压油缸为例，在理想约束条件的假设下，发射起竖系统简化为图5 的多刚体系统～图5 起竖多刚体系统示意图3 ．2 ．I 碰撞问题研究起竖油缸在伸出过程中，通过活塞杆之间以及活塞杆和油缸壳体之间的接触碰撞来实现定位，其碰撞阶段·5 0 ·的动力学模型的描述是动力学建模分析的重点在研究过程中，可以将碰撞简化为接触一变形一恢复一脱离接触的变化过程，利用接触力学理论，得出能合理描述碰撞过程的动力学模型双作用起竖油缸可以等效为双面碰撞，则碰撞力F 的表达式如下rk * ( 石l 一菇) 一s t e p ( 茗，髫l —d ，c 懈，x t O ) * ∞& ，茗 X 2 其中，戈：位移变量；旅：碰撞速度变量；石l ：位移变量的下界；X 2 ：位移变量的上界；k ：接触面的刚度系数；e ：力的变形特性指数；C m a x ：最大阻尼系数；d ：完全阻尼状态时的最大贯穿深度；s t e p ( ) 函数用于在【茗I ，X 2 】的位移区间内产生渐变的阻尼力，以降低系统刚性，提高计算效率。

’3 ．2 ．2 变结构问题的处理导弹起竖全局过程可以划分为若干过程，其间系统的自由度会发生突变，该类系统属于变拓扑多体系统，是一种时变或非稳态结构由于系统拓扑结构的切换取决于系统运动性态，绝大多数情况下无法预见切换时刻，因此人为干预这种切换，分阶段进行仿真计算是效率低且不切实际的处理方法任意给定拓扑系统的自动建模与仿真技术比较成熟，在导弹起竖仿真研究中，笔者在给定拓扑系统的基础上，针对变拓扑多体系统，引进基本系统和当前系统两个概念，采用约束激活的思想，实现拓扑结构的切换，高效、连续地进行变拓扑多体系统动力学的全局仿真系统采用笛卡儿坐标和欧拉四元素描述多体系统各物体的位移，系统的动力学模型表述如下：M ·搬垃+ 垂三·．：I = F．垂( 菇，t ) = 0( 7 )’ 其中，菇：状态变量，M ：质量矩阵，F ：力矩阵，西：系统约束方程组，A ：拉格朗日乘子阵，或l 约束方程的知．c o b i 矩阵变拓扑多体系统的运动过程中，存在一种始终不变的拓扑状态，该状态时的系统称为基本系统，描述基本系统的约束方程称为基本约束方程，记为西o ( 戈，t ) = 0( 8 ) ‘ 若该系统在运动过程中存在s 个拓扑状态，在某种条件下，系统切换到状态i ( i = 1 ，⋯·，s ) ，此状态下的系统的为该多体系统的当前系统，描述当前系统的约束方程由基本约束方程和对应于当前系统的附加约束方程两部分组成，后者记为蛾( 菇，t ) = 0( 9 )故当前系统的约束方程组为垂= ( 垂5 ，西；) r( 1 0 )不同拓扑的切换取决于系统某瞬时的运动状态，这种切换条件的自变量可能为时间、系统的运动学量或系统的受力情况。

后者分别称为运动学条件和动力学条件由于受力条件依赖于运动状态，所以从某种意义上讲动力学条件是较复杂的运动学条件，故状态的切换条件可以表示为：．戳( 髫，茗& & ，t ) >( 1 1 ) 则戳( i = 1 ，⋯，s ) 构成了s 个状态的切换条件族3 ．3 液压元件建模的实现液压元件模型是组成液压系统仿真模型建立的基本要素，元件模型精度直接决定着系统模型的精度在．描述元件模型时，必须对建模的要素进行合理取舍，否则建立的数学模型过于复杂，不仅增加建模的难度和计算的累计误差，而且模型的状态方程容易变成刚性，造成仿真计算的困难但是，建模过程中不可过度追求模型的简化，否则建立的模型不能正确表达液压元件的特性一些非线性因素或时变因素等，在建模的时候必须充分考虑，如液压缸两腔的液容、阀口液阻、活塞及阀芯运动所受的库仑摩擦力、阀芯的限位所受的支反力，这些影响系统动态特性的因素不是恒定的，而是时变非线性的应该根据液压元件性质，合理分析非线性或时变因素的对建模精度的影响，提高元件模型的置信度在建立正确的液压元件数学模型后，必须采用有效的编程模式，实现在计算机环境下对液压元件模型的正·5 】·确描述和有效封装。

面向对象的图形化建模语言珊纪( U n i f i e dM o d e l i n g 肠栅) 具有直观、易于交互等显著特点，已经形成为标准建模语言但是，该语言关注的是模型内部类之间的交互，而非模型之间的接口关系，所 以它无法层次化的显示元件模型，也不能直接支持模型的耦合关系。