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载弹状态下对车载双联装平台横向稳定性的分析研究

2020-07-03 251 上传者：管理员

摘要：转向阶段的稳定性和安全性是车载双联装导弹发射平台研究的关键问题。以中远程导弹的车载双联装发射平台为研究对象,开展了横向稳定性研究;建立了适用于横向稳定性分析的刚柔耦合动力学模型,对比了刚柔耦合动力学模型的数值计算结果与实车试验结果,验证了模型的正确性。基于此模型,分析了不同载弹状态对发射平台横向稳定性的影响规律,给出了不同载弹状态下发射平台的安全转向速度,为车载双联装发射平台的系统设计和优化提供了理论参考。

关键词：
中远程导弹
军用器材
刚柔耦合
横向稳定性
系统设计
车载双联装发射平台
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中远程导弹是进行后方压制和战略打击的重要武器,实现中远程导弹的一车双弹和公路机动发射[1,2]导弹的机动能力和作战效能具有重要意义。

由于车载双联装发射平台具有质心高[3]、体积大等特点,容易在转向阶段失去横向稳定性导致侧翻[4]事故的发生,造成严重的人员伤亡和财产损失。因此,有必要对车辆转向阶段横向稳定性进行研究。Huh等[5]分析了三轴车辆中间车轮转向对整车转向特性、横摆角速度和侧向加速度的影响。Hegazy等[6]采用多体动力学方法开发了一个真实的多自由度车辆模型,尤其适用于瞬态转弯情况的分析;王云超[7]建立了多轴转向车辆通用的动力学模型;Ikhsan等[8]使用仿真软件TruckMaker研究了在转弯过程中车辆总重量对重型车辆横向稳定性的相关性和影响。Vihar等[9]基于LTR研究了侧风和倾斜地面如何影响公交车和卡车的横向稳定性。横向载荷转移率LTR由Preston-thomas等[10]提出,是横向稳定性研究中重要的指标,其定义为

公式(1)

式中:∑Fz,R为右侧轮胎垂向力总和;∑Fz,L为左侧轮胎垂向力的总和;LTR为横向载荷转移率,是一个大小在[-1,1]之间的无量纲量。

本文考虑了车梁和发射台架等部件的柔性效应,建立了车载发射平台的刚柔耦合动力学模型,对比数值计算结果与实车试验结果,验证了刚柔耦合动力学模型的精度。基于此模型,研究分析了不同载弹状态对车载双联装发射平台横向稳定性的影响。

1、车载双联装发射平台刚柔耦合模型

1.1模态叠加法理论

模态叠加法是通过对物理坐标系下的运动方程进行模态坐标变换,利用模态频率和模态振型等信息对运动方程进行解耦,将其转换成模态坐标系下的一系列单自由度方程,通过求解模态坐标响应,再进行组合,得到原物理坐标系下的结构响应。文章是基于模态叠加法理论[11,12,13,14]来描述物体的运动变形。

模态叠加法采用模态分析向量及相应的模态坐标来描述物体在空间随时间变化的位移,其关系如下

公式(2)

式中:U为各节点自由度对应的位移向量;Φ为振型矩阵;η为模态坐标向量;M为模态振型数目;ϕi为第i阶模态振型向量;ηi为第i阶模态坐标。

此方法的优点在于:首先,可以根据响应特征和精度要求,来考虑模态截取的范围,以正确建立适用于多体系统动力学的柔性体叠加模态;其次,可以进一步用来研究大型复杂系统振动。

1.2刚柔耦合动力学模型

车载双联装发射平台刚柔耦合动力学模型主要由车梁与发射台架、发射装置、驾驶室、悬架系统、轮胎和三维随机激励路面构成,其拓扑结构,见图1。

图1车载双联装发射平台刚柔耦合动力学模型拓扑结构

考虑在行驶和转向中的变形,将车梁与发射台架处理为一个柔性体系统;其他部件视为刚体。如图2所示,车梁与发射台架固连,弹体与发射箱固连在发射台架上;驾驶室固连于车梁前端的相应位置上。悬架系统采用双A字臂形式的油气悬架,油气悬架的非线性力采用力元进行模拟,通过直接在主销的主轴上施加转动驱动实现转向功能。车辆的驱动力矩直接施加在各个轮胎上,轮胎与主销之间设置旋转约束,如图3所示。

根据上述过程,利用有限元软件ABAQUS对柔性体进行模态分析,获得模态中性文件,再应用多体动力学软件ADAMS建立的车载双联装发射平台刚柔耦合动力学仿真模型,如图4所示。

图2车载双联装导弹发射平台模型侧视图

图3双A臂油气悬架的结构图

图4刚柔耦合动力学模型

2、刚柔耦合模型验证

车载双联装发射平台模型的输入为设计车速与方向盘转角。仿真首先进行静平衡计算,然后通过PID控制在10s内将车速控制到试验车速并保持匀速前进,将方向盘转角同步输入到仿真模型中,方向盘转向角度输入,如图5所示。整个仿真计算过程持续30s,设置传感器对车体侧倾角进行监测,当侧倾角≥60deg时,仿真终止。

图5方向盘转向角度输入

以目标车速7m/s为例,仿真结果如图6所示,发射平台的转向过程可分为四个阶段。

图6发射平台转向过程中的系统动态响应

(1)阶段1:直行段(0s<t≤17s):方向盘角度为零,车辆保持直行。

(2)阶段2:动态转向段(17s<t≤20s):方向盘角度开始增加,车辆开始动态转弯。在此阶段,侧向加速度和横摆角速度迅速下降、侧倾角度迅速增加。

(3)阶段3:过渡段(20s<t≤22s):方向盘角度刚达到稳定值。但由于惯性效应,侧向加速度和侧倾角有明显的超调量,持续时间约两秒。横摆角速度无明显的超调量。

(4)阶段4:稳定转弯段(t>22s):方向盘角度不变,车辆稳定转弯。侧向加速度、横摆角速度和侧倾角围绕稳定值振荡,侧向加速度的振动同直行阶段。

为验证刚柔耦合动力学模型的准确性和精度,采用与车载双联装发射平台底盘系统相同型号、尺寸相近的多轴重型车辆,开展了实车试验。为达到实际的标准重量,在试验车辆上部稳固装载了大型固体配重块,能够有效表示发射平台的满载状态。

试验场地为干燥、平坦的水泥混凝土C级路面。每个工况开始前,试验车辆在预定起点加速行驶,达到预定车速后保持匀速前进,行驶至特定位置时,开始左打方向盘沿标桩转向行驶,之后方向盘保持不动,并保证匀速驾驶,试验车辆继续做圆周运动,试验场地和标桩布置,如图7所示。

研究发射平台转向阶段的横向稳定性时,其转向行驶阶段的动态响应包括侧向加速度、横摆角速度、侧倾角以及横向载荷转移率LTR,前三项参数可以直接测到,适宜进行模型参数的验证;而LTR难以直接获取,不参与对比。

图7试验场地与标桩布置

试验测量的数据主要有行驶速度、方向盘转角、侧向加速度、横摆角速度和侧倾角度。试验当天风速不大于1m/s,温度在28℃～35℃范围内。由于场地空间有限,试验方案设置固定转向半径、多等级车速的工况,具体工况情况,见表1。五次工况的车速逐渐增大,方向盘转角都约为630deg。

表1试验工况的车速与方向盘转角

仿真采集的数据为等时间间隔序列,其数据列长度为N,则其均方根(RMS)的计算公式为

公式(3)

式中:RMS为均方根,N为数据列长度,xi为第i个数据。

将试验中测得的侧向加速度、横摆角速度和侧倾角在稳态转弯期间的均方根与仿真结果比较,结果如图8所示,仿真结果显示出了与试验结果良好的一致性。其中,侧向加速度与试验结果吻合较好,横摆角速度的仿真结果略大于试验结果;特别是在低速工况中,侧倾角在总体上的趋势与试验结果相同,符合试验结果。分析试验结果可知,试验测得的数据与车速间不是完全的线性关系,对仿真和试验结果进行误差分析可知,造成误差原因如下:

(1)在转弯过程中,驾驶员难以保持匀速行驶速度;

(2)低速和高速轮胎的力学性能不同;

(3)其他不可避免的影响因素,如路面的随机起伏和测量误差等。

通过模型与试验的结果对比,证明模型仿真结果与试验结果吻合较好,模型精度令人满意,所建立的刚柔耦合动力学模型仿真结果有效、可信,能够支撑发射平台的横向稳定性研究工作。

图8模型与试验结果对比

3、载弹状态横向稳定性分析

3.1不同载弹状态的影响

影响横向稳定性的因素众多,针对本文研究对象的应用特殊性,依据三维随机激励路面和多体动力学刚柔耦合模型,在向左转向的情况下对载弹状态的影响展开研究。

基于C级路面,针对于车载双联装发射平台的四种装弹状态:双弹(满载),仅左弹,仅右弹和空载,分别对低方向盘转角(360deg)、高方向盘转角(630deg)两种情形下,对车速等级分别为5m/s,7m/s,9m/s,11m/s进行了计算。对发射平台的转向半径、侧向加速度、横摆角速度、侧倾角、LTR进行了分析。

对稳态转向阶段的各参量数的均方根值进行分析,为体现各载弹状态,侧倾角和LTR的均方根值的正负性,由其平均值的正负性确定。

3.1.1低方向盘转角(360deg)

图9可以看出,空载和仅左弹状态下转向半径随车速的增大而增大;而仅右弹状态下转向半径随车速的增大而减小;双弹状态的转向半径在9m/s前随车速的增大而增大,在车速11m/s时半径略有下降。

方向盘稳态转角取360deg,仿真结果如图10所示,侧向加速度、横摆角速度、侧倾角和LTR都随着车速的增大而增大。由于仅左弹状态的转向半径较小,其侧向加速度和横摆角速度在车速9m/s前略大于其他载弹状态。仅右弹状态在车速为11m/s时侧向加速度和横摆角速度幅值迅速增大,对应其转向半径在11m/s时的迅速减小。如图10(c),车体的侧倾角从高到低为双弹、仅右弹、空载、仅左弹。其中空载状态时侧倾角几乎为0,不随车速变化;仅左弹和仅右弹状态下的侧倾角随车速增长趋势较为一致,而双弹状态下侧倾角随车速增长趋势最高;仅左弹状态下侧倾角为负数,说明此时的侧倾角主要由质量偏心引起的。如图10(d),发射平台LTR值的从高到低为仅右弹、双弹、空载、仅左弹,且同一车速下的LTR差值大多大于0.1;仅左弹状态低车速工况的LTR为负值,与其负侧倾角对应。

图9不同载弹状态下转向半径对比

图10不同载弹状态下计算结果对比

3.1.2高方向盘转角(630deg)

方向盘转角取630deg,其中,仅右弹状态在车速为11m/s时t=22.64s时刻侧倾角值达到了60deg,认为其已丧失横向稳定性并发生了侧翻,因此无稳态转向参数值。仿真结果,如图12所示。

图11可以看出,仅左弹的转向半径随车速的增大而增大,仅右弹和双弹的转向半径随车速的增大而减小,空载状态下转向半径变化较小。

如图12(a)与(b),在车速低于11m/s四种状态下的侧向加速度和横摆角速度较为接近,车速为11m/s时仅右弹状态的发射平台发射侧翻,发射平台的侧向加速度和横摆角速度从高到低排列为双弹、空载、仅左弹。

图11不同载弹状态下转向半径对比

图12不同载弹状态下计算结果对比

图12(c)中显示不同载弹状态下侧倾角差别明显,仅右弹和双弹状态的侧倾角大于左弹和空载的状态,差值在4～6deg间;空载状态下的侧倾角随车速呈现出轻微的增大趋势;仅左弹状态的侧倾角随车速由-0.93deg增长到了1.89deg;而双弹状态的侧倾角随车速由2.89deg增长到了7.85deg,两者之间的差距很大。可以看出,载荷的重量是影响侧倾角大小的首要因素。由图12(d)可知,LTR值从高到低排列为仅右弹、双弹、空载、仅左弹,与低方向盘转角的情况相同。

图13为车速11m/s时不同载弹状态的发射平台在t=21s时刻(过渡阶段)的后视图。综合高低方向盘转角的结果可以分析得出,向左转向的工况下,双弹和仅右弹状态的横向稳定性较低,而空载和仅左弹的横向稳定性较高。对于低横向稳定性的双弹状态和仅右弹状态来说,尽管两者的侧向加速度和横摆角速度相近,双弹状态的侧倾角值大于仅右弹状态,但由于仅右弹状态存在右侧质量偏心,因此LTR显示它的横向稳定性依然低于双弹状态。相同的,仅左弹状态由于存在左侧质量偏心,在左转时的横向稳定性反而有所上升,甚至高于空载状态。

图13t=21s时刻的姿态对比

4、结论

开展实车试验验证刚柔耦合动力学模型的精度,结果表明,建立的模型仿真结果与试验结果吻合较好,为发射平台的横向稳定性研究奠定了基础。

发射平台的载弹量对发射平台的侧倾角有重要影响,载弹量越多,侧倾角随车速的变化越大。向左转向时,不同载弹状态的发射平台横向稳定性从低到高分别为:仅右弹、双弹、空载、仅左弹。建议单弹状态的发射平台转向时,向非载弹侧转向时的车速不应超过9m/s,向载弹侧转向不对车速特别设限;双弹状态下发射平台的转向车速不应超过11m/s;空载时不对速度特别设限。

当发射平台存在质量偏心时,车辆的行驶状态参数侧向加速度、横摆角速度和侧倾角已无法确切反映其横向稳定性的变化规律,但LTR仍然可以对横向稳定性进行准确地预测。

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