CN109960846A - 基于adams的导弹倾覆跌落模拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，包括导弹模型简化、基于ADAMS的导弹多体动力学建模、各种典型工况的仿真计算及结果分析。本发明可以大幅度的节省物理样机制造和试验费用，也可以不受时间和环境等因素的限制进行试验研究，仿真结果可以用来评价导弹的碰撞损伤程度，还可以作为计算有限元的输入载荷，该发明为确定全弹试验的跌落高度提供了依据，也为全弹试验方案设计与论证提供了重要支撑。

Description

基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法

技术领域

本发明涉及一种导弹倾覆跌落模拟仿真方法，特别涉及一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法。

背景技术

导弹在实际的发射过程中，由于受到风载荷的作用，可能会在发射台上发生倾覆，与地面发生碰撞，目前我国导弹倾覆试验都是通过实物进行试验，但只是针对弹头，尚未开展过全弹倾覆试验，现有技术中并没有涉及导弹倾覆的仿真试验方法

在导弹倾覆试验领域国内还采用的是传统实物试验的方法，需要经历发动机设计，导弹总装，试验运输，正式试验，试后数据处理等诸多步骤，不仅试验耗资巨大，而且需要动用大量的人力物力，效率低下，试验还存在着不可重复，风险较大等缺陷。

国内无全弹倾覆试验相关标准。通过共性技术研究，在太原447厂靶场开展过贮存16年的XX-15弹头（130kgB炸药）12m高倾覆试验。国内未开展过导弹全弹倾覆试验工作，缺少一套完善的倾覆试验方法和倾覆安全性评估方法，使得部队难以对倾覆力矩的大小进行定量评价、难以对导弹意外倾覆状态下的安全性进行有效的评估，在实际操作过程中发生类似安全性问题缺乏应急性应对措施以及可借鉴的经验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，以解决导弹倾覆的仿真，用来评价导弹的碰撞损伤程度的问题。

为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，包括导弹模型简化、基于ADAMS的导弹多体动力学建模、各种典型工况的仿真计算及结果分析，具体步骤为：

（1）导弹模型简化

导弹模型简化分为弹头模型、仪器舱模型和发动机内部结构，弹头模型的弹头内部结构参数为壁厚、导航部分、战斗部、仪器舱的尺寸；仪器舱模型的仪器舱结构参数为仪器舱直径、长度；发动机内部结构的具体参数为发动机直径、长度；

（2）基于ADAMS的导弹多体动力学建模

根据导弹模型简化的导弹结构参数，通过pro/e建立倾覆模型几何样机，并将倾覆模型几何样机导入到ADAMS软件中，导弹的支座固定在地面上，对仪器舱和发动机的接合面、弹头和仪器舱的接合面通过轴套力连接在一起；

分别定义弹头、仪器舱、发动机与地面的接触，设置约束材料参数及属性参数、运动状态参数，在导弹的质心处施加step函数用以模拟风载，建立动力学模型；

除建立导弹全弹的多体动力学外，还要建立仅有弹头的模拟全弹倾覆模型，用PRO/E建立模拟全弹弹头的架子，并在ADAMS中建立模拟全弹倾覆的动力学模型。

（3）各种典型工况的仿真计算及结果分析

根据实际分析需要，进行各种典型工况的仿真计算及结果分析。

特别地，本发明所述各种典型工况的仿真计算及结果分析包括风载荷的仿真计算及结果分析，计算公式为，

式中，——迎风面积；

——风压，，式中，——额定风压；——气动阻力系数；——风压随高度的增加系数；——计算阵风作用的动力系数；

额定风压的计算公式为，，式中，——规定最低温度下的空气密度；——给定风速。

有益效果

本发明提供了一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，可以大幅度的节省物理样机制造和试验费用，也可以不受时间和环境等因素的限制进行试验研究，仿真结果可以用来评价导弹的碰撞损伤程度，还可以作为计算有限元的输入载荷，该发明为确定全弹试验的跌落高度提供了依据，也为全弹试验方案设计与论证提供了重要支撑。

并以XX型号导弹为研究对象，运用多体动力学理论和软件，进行了导弹倾覆的多体动力学仿真。仿真结果可以用来评价导弹的碰撞损伤程度，还可以作为计算有限元的输入载荷。主要技术指标如下：

针对全弹跌落试验给出的危险可能性结论与试验结果一致，导弹跌落的加速度和应力计算结果与试验数据的误差小于15%。

附图说明：

图1 IMPACT函数示意图；

图2 碰撞力参数设置界面；

图3 弹头内部结构，弹头从前往后三部分分别为导航部分、战斗部和仪器舱；

图4 仪器舱内部结构

图5 发动机内部结构

图6 弹头1.5M倾覆速度与时间曲线

图7 弹头1.5M倾覆加速度与时间曲线

图8 弹头1.5M倾覆角速度与时间曲线

图9 弹头1.5M倾覆角加速度与时间曲线

图10 弹头2.0M倾覆速度与时间曲线

图11 弹头2.0M倾覆加速度与时间曲线

图12 弹头1.5M倾覆角速度与时间曲线

图13 弹头1.5M倾覆角加速度与时间曲线

图14 质量对撞击速度的影响

图15 增加高度对撞击速度的影响

图16 计算结果

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进一步详细阐述。

(一) 导弹碰撞力的计算

导弹的跌落是自由落体运动，倾覆也可以看作是自由落体运动和其他运动的合运动，假设导弹与地面瞬时碰撞只发生法向变形，不发生切向变形。碰撞过程可以分为压缩阶段和回弹阶段。压缩阶段即得到导弹与地面接触到压缩到产生最大弹塑性变形的过程，回弹阶段即导弹从弹性变形弹性恢复到残余塑性变形的过程。

（二）碰撞力学模型研究

1 碰撞的接触算法

ADAMS中的接触力(Contact force)可用来描述运动物体接触时的相互作用力。在ADAMS/View中有两种计算接触力的方法，一种是补偿法(Restitution)，用恢复系数来计算碰撞力, 补偿法需要确定两个参数：惩罚系数和补偿系数。惩罚系数确定两个构件之间的重合体积的刚度，接触力是惩罚系数与插入深度的乘积，若惩罚系数过小，就不能模拟两个构件之间的真实情况，若过大，会使计算出现问题，以至于不能收敛，所以选用辅助的拉格朗日扩张法，通过多步迭代来来解决这一问题；另一种是冲击函数法(Impact)，用刚度系数和阻尼系数来计算碰撞力。通常，采用冲击函数法计算速度更快，使用的参数如阻尼系数和指数等能够更好的控制碰撞力，在仿真结果上得到令人满意的效果。而补偿法只适用于恢复系数已知的情况。此处由于无法得知导弹材料的恢复系数，因此采用冲击函数法计算导弹与地面的冲击力。

冲击函数法是根据Impact函数来计算两个构件之间的接触力，接触力由两个部分组成：一个是由于两个物体之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。前者是刚度系数与相对变形的函数，后者是阻尼系数与相对速度的函数。为避免接触时出现阻尼力不连续，在IMPACT函数中，采用相对位移的三次STEP函数来定义阻尼系数，当不发生碰撞时，阻尼系数为0；而当变形达到碰撞的边界作用距离时，阻尼系数也达到最大值其函数定义：

式中各参数的意义如下：

——接触物体之间的实测位移变量；

——I，J两点之间的相对速度；

——位移开关量，用来确定单侧碰撞是否起作用：

——弹簧力刚度系数；

——非线性弹簧的力指数。对于硬弹簧，e>l；对于软弹簧，0<e<l；

——最大阻尼系数；

——碰撞的边界作用距离。碰撞变形在此范围之内时，函数开始施加最大阻尼力。

图1可用来说明IMPACT函数的意义。其中marker I、J之间的距离小于开关量时，即球与地面相接触，IMPACT函数取值非零，即有单边碰撞力，否则接触力为零。

2 建立碰撞力

在ADAMS／View的施加载荷中，利用Contact命令建立起导弹与地面之间的碰撞力，如图2所示，中涉及到八个参数的设置，其意义分别为：

(1) 刚度：指定材料刚度。一般来说，刚度值越大，积分求解越困难。

(2)力指数：用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值的指数。通常取1.5或更大。其取值范围为力指数≥1，对于橡胶可取2甚至是3；对于金属则通常用1.3~1.5；

(3)阻尼：定义接触材料的阻尼属性，取值范围为阻尼≥0，通常取刚度值的0.1~1%；

(4)穿透深度：定义全阻尼时的穿透值。在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver运用三次STEP函数来求解这两点之间的阻尼系数。其取值范围为穿透深度≥0。

以下四个参数为选定库仑摩擦时的内容：

(5)静摩擦系数：是当接触点处滑动速度小于静平移速度值时的摩擦系数，取值范围：MU_STATIC≥0。

(6)动摩擦系数：是当接触点处滑动速度大于摩擦平移速度值时的摩擦系数，取值范围：0≤MU_DYNAMIC≤MU_STATIC。

(7)静平移速度：用于库仑摩擦中。当接触点处滑动速度逐渐增大时，摩擦系数从MU_STATIC到MU_DYNAMIC逐渐变化。当滑动速度等于摩擦平移速度指定值时，摩擦系数为MU_DYNAMIC。过小的摩擦平移速度值将导致积分困难，一般摩擦平移速度≥5*Error；其中Error为积分误差，其默认值为1E3。取值范围：摩擦平移速度≥7*静平移速度＞0。

(8)摩擦平移速度：用于库仑摩擦中。当接触点滑动速度逐渐减小时，摩擦系数从MU_DYNAMIC到MU_STATIC逐渐变化。当滑动速度等于静平移速度指定值时，摩擦系数为MU_STATIC。过小的静平移速度值将导致积分困难，一般静平移速度≥ Error。取值范围：0＜静平移速度≤摩擦平移速度。

此处导弹与地面的接触形式可看作是一种非线性弹簧的形式，可将导弹材料的弹性模量当成弹簧的刚度，阻尼当成能量损失。阻尼取刚度值的0.1％~1％，指数取1.3~1.5。选定混凝土地面的静摩擦系数为0.3，滚动摩擦系数为0.1。

（三）导弹模型简化及结构参数

在对导弹进行多体动力学分析前，先要对导弹整体进行适当的简化，并按简化后的参数进行建模，具体结构如下：

（1）弹头模型

弹头内部结构如图3所示，其内部结构参数主要包括壁厚、导航部分、战斗部、仪器舱的尺寸等。

（2）仪器舱模型

仪器舱的壳体材料为铝，模型及结构参数，主要包括仪器舱直径、长度等参数，如图4所示。

（3）发动机内部结构

发动机内部结构如图5所示，其壳体材料为铝，具体参数主要包括发动机直径、长度等。

根据上述的导弹结构参数，在PRO/E中建立模拟导弹倾覆的几何样机，导入到ADAMS中进行多体动力学分析。

（四）基于ADAMS的导弹多体动力学建模

对导弹模型进行简化，再通过pro/e建立倾模型几何样机，并将其导入到ADAMS软件中，导弹的支座固定在厚度为1M的混凝土地面上，对仪器舱和发动机的接合面、弹头和仪器舱的接合面通过轴套力连接在一起模拟螺栓连接。

分别定义弹头、仪器舱、发动机与地面的接触，设置约束材料参数及属性参数、运动状态参数，在导弹的质心处施加step函数用以模拟风载，建立动力学模型。

除建立导弹全弹的多体动力学外，还要建立仅有弹头模拟全弹倾覆模型，用PRO/E建立模拟全弹弹头的架子，材料为钢，并在ADAMS中建立模拟全弹倾覆的动力学模型。

（五）各种典型工况的仿真计算及结果分析

（1）风载荷

作用于设备上的计算风压，垂直作用于设备的迎风面积上，数值由下式求得

式中 ——额定风压；

——气动阻力系数；

——风压随高度的增加系数；

——计算阵风作用的动力系数。

额定风压的计算公式为

式中——规定最低温度下的空气密度；

——给定风速。

气动阻力系数与设备的结构及形状密切相关，需按不同的结构选取。对竖立在发射台上的导弹。

风速在很大程度上决定于地面设备各项装置和设施超出地面的高度，它随高度增加而增加，因而在计算风压时应考虑风压随高度增加的系数，数值列于表1。

表1 修正系数的数值表

对于导弹的修正系数，取。

阵风的动力系数与结构有关，对钢结构和钢筋混凝土结构的动力系数，按自然振动周期选取。计算中，我们选择。

风载荷由下式计算

式中——计算迎风面积。

经计算，导弹的迎风面积，

当风速为20m/s时，风压，则风载荷

；

解得：

若要在风载荷作用下使导弹倾覆，则N ₁ =0，N ₂ =Mg。

，得P=5487N，

由，得。

（2）倾覆跌落

建立起模型之后，就可对跌落碰撞过程进行研究。着地碰撞力是地面与导弹相互作用的结果，与导弹重量、构造、地面类型、土质、土壤湿度、坠落速度、跌落高度、导弹着地姿态等诸多因素有关。在此处假定导弹的重量、构造不变，地面类型属于刚性路面(主要指水泥混凝土结构)同时考虑到contact命令中包含的四个参数对碰撞力的影响。

1.5m倾覆仿真计算结果

对全弹和模拟全弹在1.5m的发射台上进行倾覆仿真，提取全弹倾覆时间在t=0s 2s3.5s 4s 4.4s 4.6s,模拟全弹在t=0 2s 3.5s 4s 4.5s 4.6s的仿真过程图见表1。计算得到的弹头速度、加速度、角速度及角加速度与时间的关系曲线如下：

(1)速度-时间关系曲线如图6所示。

图6中，黑色曲线为全弹倾覆的速度时间曲线，红色曲线为模拟全弹的仿真计算曲线，由仿真结果可知，两种情况下初始的速度基本相同，在运动至3.5s后全弹的速度变化较大,并早于模拟全弹撞击地面,运动至撞地时刻的速度为18.175m/s大于模拟全弹撞地时刻的速度15.80m/s。

(2)加速度-时间关系曲线如图7所示。

图7中，黑色曲线为全弹倾覆的加速度时间曲线，红色曲线为模拟全弹的仿真计算曲线，全弹早于模拟全弹撞击地面，撞击地面产生的Y向加速度为2557.8m/s²，模拟全弹撞击地面的加速度为2255m/s²。

(3)角速度-时间关系曲线如图8所示。

全弹的最大角速度为99.419deg/sec，模拟全弹的最大角速度为82.275deg/s。

(4)角速度-时间关系曲线如图9所示。

全弹的最大角速度为20261deg/sec²，模拟全弹的最大角速度为18352deg/s²。

2.0m倾覆仿真计算结果

对全弹和模拟全弹在2.0m的发射台上进行倾覆仿真，提取全弹倾覆时间在t=0 2s3.5s 4s 4.44s 4.64s,模拟全弹在t=0 2s 3.5s 4s 4.54s 4.68s的仿真过程图见表1。计算得到的弹头速度、加速度、角速度及角加速度与时间的关系曲线如下：

(1)速度-时间关系曲线如图10所示。

图10中，黑色曲线为全弹倾覆的速度时间曲线，红色曲线为模拟全弹的仿真计算曲线，两种情况下初始的速度基本相同，运动至某3.7s后全弹的速度变化较大，全弹早于模拟全弹撞击地面,撞地时刻的速度为18.355m/s大于模拟全弹撞地时刻的速度16.04m/s.

(2)加速度-时间关系曲线如图11所示。

图11中，黑色曲线为全弹倾覆的加速度时间曲线，红色曲线为模拟全弹的仿真计算曲线，由仿真结果可知，全弹撞击地面的时间较早，撞击地面产生的Y向加速度为2292m/s²，模拟全弹撞击地面的加速度为1928m/s²。

(3)角速度-时间关系曲线如图12所示。

全弹的最大角速度为99.542deg/sec，模拟全弹的最大角速度为82.27deg/s。

(4)角速度-时间关系曲线如图13所示。

全弹的最大角速度为18310deg/sec²，模拟全弹的最大角速度为15767deg/s²。

表2质心速度

表3 仿真结果表

注：FDJ质量7129kg;仪器舱质量307kg;弹头质量510kg;模拟导弹架子质量3235kg.

结论：由上述分析结果可知，在不同高度的发射架上进行的全弹倾覆和模拟全弹倾覆仿真结果，在触地时刻的速度、加速度、角速度和角加速度的值都不相同，全弹的撞击时间早，撞击速度、角速度、角加速度也较大，撞击时产生的加速度也比模拟全弹的撞击加速度要大，由于全弹的质量大于模拟全弹的质量，因此，通过增加质量单元和提高模拟全弹的支架高度的方法来进行进一步的验证。

（六）增加质量及支架高度

（1）增加质量

在支架的不同位置（距离底面分别为0、1、2、2.8、3、4、5、5.9m）施加不同的质量(2、3、4、5吨)。计算结果如下表：

表4 添加质量点m=5吨

距底面位置（m）	0	1	2	2.8	3	4	4.5	5	5.9
										触地速度（m/s）	15.682	16.978	17.749	17.948	18.049	18.509	18.743	18.462	18.089

表5 添加质量点m=4吨

距底面位置（m）	0	1	2	2.8	3	4	4.5	5	5.9
										触地速度（m/s）	15.730	17.091	17.470	17.505	17.585	18.192	18.083	18.032	17.636

表6 添加质量点m=3吨

距底面位置（m）	0	1	2	2.8	3	4	4.5	5	5.9
										触地速度（m/s）	16.023	16.829	17.078	17.120	17.150	17.457	17.442	17.546	17.132

表7 添加质量点m=2吨

距底面位置（m）	0	1	2	2.8	3	4	4.5	5	5.9
										触地速度（m/s）	16.06	16.527	16.699	16.745	16.748	16.85	16.919	16.851	16.686

由图14分析结果可知：

（1）随着质量点质量的增加，在0位置处撞地速度呈现减小的趋势，而其他位置基本表现为随着质量的增加，撞击速度也相应增加。

（2）质量恒定，随着与底面距离的增加，撞地速度呈现逐渐增大至最大后又减小的趋势，其中在质量为2000kg、5000kg情况下，撞地速度在质心处达到最大，之后逐渐减小；在质量为3000kg和4000kg时，撞地速度分别在5m和4m处达到最大。可知添加质量单元在质心及其附近处时能使撞击速度达到最大。

（2）增加高度

将支架高度分别提升0.5m 1m 2m 3m后得到仿真结果如下表：

表8 增加高度与撞击速度

支架增加高度	+0.5m	+1m	+2m	+3m
					速度（m/s）	15.965	16.527	17.227	17.935

由图15分析结果可知：

（1）随着支架高度的增加，撞击速度也相应增加，高度与速度呈现出了线性关系。

（2）随着支架高度的增加，支架的质量也相应的增加，仿真显示，当高度在原有基础上增加3m左右时模拟的撞击速度与全弹撞击速度一致，因此，可以考虑在试验中增加支架的高度。

(七)添加拉力

在弹头和架子的接合面处添加不同角度的拉力，分别计算当角度θ(下表所示)为30°、45°、60°时在不同大小的拉力分别作用不同时间后模拟导弹的撞地速度，计算结果见表9。

表9 施加不同力的计算结果

通过计算结果可知：随着角度的增加，在相同大小的力及时间作用下，速度有增加的趋势，相同角度情况下，力值的增加和作用时间的增加都能使速度变大，计算结果图如图16所示。

（1）在角度30°时，25000N的力作用3.0s，30000N力作用2.6s可以达到与全弹倾覆相同的效果。

（2）在角度45°时，20000N力作用3.2s,25000N的力作用2.7s，30000N力作用2.5s可以达到与全弹倾覆相同的效果。

（3）在角度60°时，20000N力作用3.1s ,25000N的力作用2.5s，30000N力作用2.3s可以达到与全弹倾覆相同的效果。

Claims (2)

1.一种基于ADAMS的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，包括导弹模型简化、基于ADAMS的导弹多体动力学建模、各种典型工况的仿真计算及结果分析，具体步骤为：

（1）导弹模型简化

导弹模型简化分为弹头模型、仪器舱模型和发动机内部结构，弹头模型的弹头内部结构参数为壁厚、导航部分、战斗部、仪器舱的尺寸；仪器舱模型的仪器舱结构参数为仪器舱直径、长度；发动机内部结构的具体参数为发动机直径、长度；

（2）基于ADAMS的导弹多体动力学建模

根据导弹模型简化的导弹结构参数，通过pro/e建立倾覆模型几何样机，并将倾覆模型几何样机导入到ADAMS软件中，导弹的支座固定在地面上，对仪器舱和发动机的接合面、弹头和仪器舱的接合面通过轴套力连接在一起；

分别定义弹头、仪器舱、发动机与地面的接触，设置约束材料参数及属性参数、运动状态参数，在导弹的质心处施加step函数用以模拟风载，建立动力学模型；

除建立导弹全弹的多体动力学外，还要建立仅有弹头的模拟全弹倾覆模型，用PRO/E建立模拟全弹弹头的架子，并在ADAMS中建立模拟全弹倾覆的动力学模型；

(3) 各种典型工况的仿真计算及结果分析

根据实际分析需要，进行各种典型工况的仿真计算及结果分析。

2.根据权利要求1所述的导弹倾覆跌落模拟仿真方法，其特征在于：所述各种典型工况的仿真计算及结果分析包括风载荷的仿真计算及结果分析，计算公式为，

式中，——迎风面积；

——风压，，式中，——额定风压；——气动阻力系数；——风压随高度的增加系数；——计算阵风作用的动力系数；

额定风压的计算公式为，，式中，——规定最低温度下的空气密度；——给定风速。