发射装置实例

机械工程控制基础发射装置实例本章主要内容:

9.1

发射装置三维模型

9.2

发射装置功能虚拟样机

9.3

俯仰仿真分析

9.4

回转仿真分析

9.5

联合仿真分析

9.6

结论Part9.1发射装置三维模型

Part9.2发射装置功能虚拟样机的建立

9.2.1ADAMS几何模型

先将Pro/E模型保存为STEP格式，然后由UG读入STEP格式文件后，再导出为ADAMS可以识别的Parasolid格式文件。这种方法得到的ADAMS几何模型精度高，还可以按需要单个零件导入或几个零件一起导入，便于操作。9.2.2定义运动约束

虚拟样机模型

9.2.3定义齿轮啮合的接触碰撞力

为了保证仿真分析的真实性，齿轮之间的啮合运动关系没有被定义成理想化的几何约束关系，而是被定义为基于接触碰撞的力约束关系，即齿轮之间只能通过接触碰撞力（法向）和摩擦力（切向）相互约束，而不存在其他的约束关系。在ADAMS中有两种接触碰撞的计算模型，一种是基于Hertz理论的Impact函数模型，一中是基于恢复系数（Coefficientofrestitution）的泊松（POISSON）模型。两种力模型都来自于法向接触约束的惩罚函数。ADAMS/C++Solver使用惩罚因子来转换所有的接触约束。采用Impact函数来计算各啮合齿轮轮齿之间的接触碰撞力。Impact函数模型将实际中物体的碰撞过程等效为基于穿透深度的非线性弹簧—阻尼模型，其计算表达式为：其中——接触刚度系数；

——位移开关量，用于确定单侧碰撞是否起作用；

——接触物体之间的实测位移变量；

——阻尼达到最大时两接触物体的穿透深度；

——最大接触阻尼；

——穿透速度；

——非线性弹簧力指数。弹性分量计算物体接触刚度系数与物体的材料属性和接触表面的几何形状有关，在此根据文献[1]提供的接触刚度计算式来计算各齿轮啮合的齿廓面接触刚度，计算式为：其中，，——相啮合的两齿廓面在啮合点处的曲率半径。对于渐开线齿轮，其工作过程中啮合点在齿廓面上的位置是不断变化的，其曲率半径也是不断变化的，主动轮齿廓面上啮合点处的曲率半径由小变大，从动轮尺阔面上啮合点处的曲率半径由大变小，因此以两轮齿在节点处啮合作为计算点，则；，m为模数，z为啮合齿轮的齿数，为节圆压力角，对于标准啮合，节圆压力角等于分度圆压力角20o。

——材料参数，定义为：；，为泊松比，E为弹性模量非线性指数n，根据Hertz理论，一般取1.5较合适。阻尼分量计算采用文献[2]给出的非线性阻尼模型来计算轮齿啮合接触阻尼系数，该阻尼模型认为物体表面接触—碰撞过程中的能量损失是由接触阻尼引起的，在基于等效能量损失的基础上给出接触阻尼的计算式：其中，K——接触刚度；

e——弹性恢复系数，一般定义为碰撞前法向速度差值与碰撞后法向速度差值的比值。跟物体的材料、碰撞表面曲率半径、碰撞速度、以及润滑介质的粘度有关，一般通过实验测定。

——穿透深度，对应ADAMS取最大阻尼系数时的穿透深度，在此取；

n——非线性指数，一般取1.5。

u——碰撞速度，以相啮合的两个齿轮在节点处的线速度的差值代替。在齿廓面间的动态碰撞力的作用下，相啮合的两个齿轮在节点处的线速度是不等的，且随时间变化，即碰撞速度也不是定值在阻尼分量中，弹性恢复系数和碰撞速度与实际的工况有关，其具体的取值在各仿真工况下确定。摩擦力计算接触体之间的摩擦力采用库仑摩擦模型，考虑静摩擦和动摩擦，有润滑时，取静摩擦系数为0.08，动摩擦系数为0.05，无润滑时，取静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.1。在ADAMS中摩擦力采用下面的函数表达式计算：

F=-N*step(v,-Vs,-1,Vs,1)*step(ABS(v),Vs,Cst,Vtr,Cdy)其中：N——法向力；

v——表面相对滑移速度；

Vs——最大静摩擦对应的相对滑移速度；

Cst——静摩擦系数；

Vtr——动摩擦对应的相对滑移速度；

Cdy——动摩擦系数；9.2.4电机输入信号

在ADAMS中采用step函数定义驱动表达式：

W=step(time,0,0d,0.68,-12000d)+step(time,0.68,0d,1.77,0d)+step(time,1.77,0d,2.45,12000d)Part9.3俯仰仿真分析设定计算误差为0.01，最小积分时间步长为0.0001s，并设置仿真时间为3s，仿真输出步数为1000步。对发射装置俯仰运动状态进行仿真，得到发射装置俯仰运动定向器的轨迹图。仿真结果提取发射定向器俯仰转速曲线及其理论曲线。

由上图可知，发射装置定向器的俯仰转速在其理论转速曲线附近波动，中间平稳运行时，波动较大，启制动时波动较小。发射装置俯仰转速误差曲线计算俯仰转速误差绝对值的均值为，发射定向器在运行平稳后的理论转速为，计算可得其误差的百分比为1.52%。发射定向器俯仰角度曲线及其理论曲线发射定向器俯仰角度误差曲线由图可知，发射装置定向器的仿真俯仰角度与理论俯仰角度基本重合，并且在2.45s时间内，理论俯仰角为，仿真俯仰角为，角度误差为。发射定向器俯仰角加速度曲线由图可知，发射装置定向器俯仰角加速度变化剧烈，与理论加速度曲线相差较大，最大动态角加速度为。原因主要是因为在实际的俯仰过程中，由于整个框架、定向器和弹药的重心不在其俯仰转动中心线上，由此产生的重力偏心使得扇形齿轮与减速器输出小齿轮相互驱动，从而引起发射定向器俯仰加速度变化剧烈。减速器1输出端小齿轮与扇形齿轮啮合的动态啮合力如图所示，最大动态啮合力为8971.7837N。Part9.4回转仿真分析9.4.1回转运动电机输入信号回转运动电机输入转速为3000转/min，即18000度/s，运行时间为2.45s，电机启动和制动的时间为0.68s，在ADAMS中采用step函数定义驱动表达式：

W=step(time,0,0d,0.68,-18000d)+step(time,0.68,0d,1.77,0d)+step(time,1.77,0d,2.45,18000d)回转运动电机输入转速曲线回转运动转速曲线及其理论曲线9.4.2仿真结果提取由图可知，发射装置回转运动的输出转速在其理论转速附近很小范围内波动，整个运行过程比较平稳，由于各级齿轮轮齿之间的间隙和回转支撑的摩擦作用使得发射装置回转运动在0.08s左右才开始响应，而且在2.4s就停止回转运动。回转转速误差曲线计算回转速度误差的绝对值均值为，发射装置定向器在运行平稳后的理论转速为，计算可得其误差的百分比为1.37%。回转运动的回转角度曲线及其理论曲线回转运动角度误差曲线由图可知，发射装置定向器的仿真回转角度与理论回转角度基本重合，并且在2.45s时间内，理论回转角为，仿真回转角为，角度误差为。在运行过程，角度误差在～内变化。回转角加速度曲线及其理论曲线由图可知，电机在启动和制动阶段，发射装置回转运动角加速度较大，最大理论值为，由仿真得到的最大值为；平稳运行时，理论值为0，仿真值在0值附近上下波动。减速器2输出端小齿轮与回转支撑齿圈啮合的动态啮合力减速器2输出端小齿轮与回转支撑齿圈啮合的最大动态啮合力为12763.826N。Part9.5联合运动动力学仿真9.5.1仿真结果分析联合运动，定向器相对于发射装置外壳的俯仰转速曲线联合运动，发射装置俯仰转速误差曲线由图可知，联合运动，发射装置俯仰转速曲线基本在理论值上下波动，误差的绝对值均值为联合运动，发射装置俯仰角度曲线联合运动，发射装置俯仰角度误差曲线由图可知，联合运动，发射装置俯仰角度曲线和理论俯仰角度曲线基本一致，在2.45s时间内，理论回转角为，仿真回转角为，角度误差为。在运行过程，角度误差在～内变化。联合运动时，发射装置俯仰角加速度曲线联合运动，发射装置俯仰角加速度曲线与单独的俯仰运动对应的俯仰角加速度曲线基本一致，最大俯仰角加速度比单独俯仰运动时稍大，其值为：。联合运动，减速器1输出端小齿轮与扇形齿轮啮合的动态啮合力由图可知，联合运动，减速器1输出端小齿轮与扇形齿轮啮合的最大动态啮合力为10038N，可用作发射装置结构部件强度、刚度的有限元计算载荷。联合运动，发射装置回转转速曲线联合运动，发射装置回转转速误差曲线由图可知，联合运动，发射装置回转转速曲线在理论曲线上下小范围内波动，转速误差的绝对值均值为。联合运动，发射装置回转角度曲线联合运动，发射装置回转角度误差曲线由图可知，联合运动，发射装置回转角度曲线与理论回转角度曲线也基本一致，在2.45s时间内，理论回转角为，仿真回转角为，角度误差为。在运行过程，角度误差在～内变化。联合运动，发射装置回转角加速度曲线联合运动，发射装置回转角加速度曲线和单独回转运动时的角加速度曲线基本一致，最大回转角加速度值为，输出端小齿轮与回转支撑齿圈啮合的动态啮合力由图可知，联合运动，减速器2输出端小齿轮与回转支撑齿轮啮合的最大动态啮合力为12883.34N，其值可用作发射装置结构部件强度、刚度的有限元计算载荷。Part9.6结论

9.6.1发射装置联合运动仿真结果与单独的俯仰运动和回转运动仿真结果对比：由上表可知，在联合运动下，发射装置的俯仰特性和回转特性与单独的俯仰运动和回转运动相比，有微小的差别，说明俯仰运动和回转运动之间有相互较小的影响作用，并且在联合运动下，产生最大的动态载荷，此载荷值可用作下一步结构强度、刚度的有限元分析计算。9.6.2总结及结果评价根据发射装置的三种工作状态，即俯仰运动、回转运动以及俯仰和回转联合运动，对发射装置的三种功能虚拟样机进行了仿真，得到如下结果：（1）发射装置在运行过程中，俯仰转速和回转转速在理论值上下小范围内波动，其误差的绝对值均值分别为和。（2）发射装置