某巡飞武器折叠展开机构可靠性及运动精度分析

某巡飞武器折叠展开机构可靠性及运动精度分析

钟维宇邹莉莉邓星刘辉赵彦王霞

（湖南航天机电设备与特种材料研究所，长沙410205）

摘要：通过建立等效动力模型得出巡飞器折叠展开机构的运动规律，进而对折叠展开机构进行动态静力分析，对机构运动功能可靠性及运动精度进行了较为全面的探讨和研究。该方法可用于飞行器分离机构，展开机构和折叠机构等的可靠性及运动精度分析。

关键词：巡飞器；可靠性；运动精度

一引言

随着现代战争观念的转变，巡飞武器得以广泛应用。巡飞武器是一种可由多种平台投放，在空中进行巡逻飞行，以执行情报侦察、精确打击和毁伤评估等作战任务的新型弹药。巡飞武器兼具飞航导弹和无人机的特点，与飞航导弹相比，巡飞弹滞空时间长、持续威慑能力强；与无人机相比，巡飞弹可以像常规导弹一样，能够快速进入作战区域，并可实现对目标精确打击。折叠展开机构作为巡飞武器的关键机构之一，其能否正常运行将直接影响到武器系统的巡航能力及命中精度。更严重的，如果折叠机构开或者展开失效，将可能引起初始发射失败或攻击目标的变化，造成无法弥补的重大损失。因此，对巡飞武器折叠展开机构进行分析显得尤为必要。

二动力学模型

（一）几何模型

某型巡飞器弹翼及舵翼折叠展开机构可以简化成如图1所示的机构模型。折叠机构由舱体、压盖、固定轴、驱动源等部分组成，模型中所有构件材料均为低碳钢，密度为7830，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。

巡飞器在发射筒内时，翼面折叠，由发射筒内壁限位；发射离箱后，翼面在驱动源产生的扭矩驱动下绕旋转轴转动实现展开到位，锁紧装置将翼面锁定，完成展开过程，巡飞器转入正常飞行姿态[1]。

模型受力分析如下：

折叠展开机构可视为理想约束系统，系统运动微分方程为：

式中：为翼面绕转轴的转动惯量；为外翼绕转轴的展开角加速度；为驱动源刚度；为翼面的展开角度；为翼面折叠状态驱动源的预转角；m为翼面的重量；g为重力加速度；L为外翼质心a到转轴中心O的距离；M1为气动阻力矩；M2为摩擦力矩。

式1可以转化为标准的Runge格式进行求解，选取时间为自变量，以折叠翼面展开角度、角速度为变量，变量的初值为，建立常微分方程组，如式2所示[2]:

(二)运动仿真

弹翼展开机构的驱动力由驱动源提供，力的大小根据驱动源的外径、内径、圈数等计算得到，驱动源提供的驱动力大小随时间的变化关系如图3所示[3]。

展开机构在确定参数下的运动特性，所得到的翼面展开角度随时间的变化曲线如图5所示。由该曲线可见，展开机构在理想的运动环境下，S可以运行到90°的规定位置。

三折叠机构可靠性分析

(一)Neumann随机有限元法基本方程

根据Neumann级数展开式,可得到考虑结构材料、几何形状、载荷同时具有随机性时Neumann随机有限元法的基本方程

Neumann随机有限元法可以很方便地获得结构响应量x的子样，经过统计计算得到随机量x的各阶矩，然后根据式就可得到其概率密度函数的渐近展开式，结合式运用数值积分计算结构的可靠度。

（三）折叠机构可靠性算例

根据折叠弹翼结构组成、载荷及传力特点，其有限元计算模型可利用对称性，只取一侧折叠翼，具体单元类型选取如下：

折叠翼骨架的接口取为三角形壳元，骨架的其余部分都取空间梁元。翼面外露段的矩形壳元与体元之间通过大刚度梁元过渡。折叠翼转盘的转轴及连接轴作为一体取为八节点体元。折叠翼外露段采用矩形壳元。

根据计算结果，可知：靠近转轴的的节点14和128的可靠度分别为0.999998和0.999973，其余节点的可靠度均接近于1.0。根据一阶边界法得到的折叠弹翼静强度结构可靠度为0.999972。说明该弹翼的结构设计合理，完全可靠性满足要求。

四折叠机构运动精度分析

巡飞器折叠机构为周向均布、同向折叠，在不考虑巡飞器折叠机构弹性变形的前提下，综合考虑折叠机构构成零件个体基本尺寸偏差和零件间配合公差，以及机构运动相对误差对机构输出运动精度的影响，研究整个机构运动误差的概率特征，建立精度失效模型进行运动精度计算分析。

其中，“*”代表理想尺寸；“”代表理论偏差；“”代表理论均值；“3”代表随机偏差。

机构输出运动的随机特性取决于结构参数和输入运动的随机特性。机构确定后，理想尺寸和系统误差就成为非随机变量，这时所求问题的解与均值等于0的中心化随机变量有关。由于机构对称，所以只分析上半部分的随机特性即可。

五结论

通过具体计算，某巡飞器折翼展开机构的正常运动可靠性为0.989，由此可得以下一些结论:在折叠展开机构的正常运动可靠性计算中，机构启动可靠性约为1；在展开到位时，其运动可靠性为0.9967；机构到位锁住的可靠性为0.9923。由于受各随机因素的影响，在不同的展开位置，其运动可靠性不同。

参考文献

[2]张国建.一次二阶矩可靠度方法及其软件[J].北京航空航天大学学报,1999,25:605-606.

[3]董玉革,王纯贤,赵显德,等.模糊可靠性分析改进的一次二阶矩法[J].应用科学学报,2006,24:302-306.