CC BY
3Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 45
www.mai.ru/science/trudv/
УДК 629.7
Методика компьютерной технологии моделирования динамики
движения отделившегося груза
А.В. Чемякин
Аннотация
Настоящая работа посвящена вопросам методики анализа динамики отделения груза с использованием современных технологий компьютерного математического моделирования. На примере отделения ракеты от авиационного катапультного устройства рассмотрены порядок и особенности создания модели отделяющегося груза. Результатом работы является отработка технологии компьютерного моделирования, позволяющей создать адекватную динамическую модель отделившегося груза и измерить положения, скорости и ускорения любых его точек в любой момент времени. Предложены пути интеграции этой технологии с другими технологиями анализа и синтеза робототехнических систем авиационного вооружения
Ключевые слова:
отделение груза; авиационное катапультное устройство; моделирование; твердотельная модель.
Основной задачей такого класса авиационных робототехнических систем, как авиационные катапультные установки (АКУ), является обеспечение безопасного отделения ракет в широком диапазоне условий применения. Задача решается путем обеспечения в этих условиях требуемых параметров отделения ракеты от самолета, т.е. параметров, являющихся начальными условиями свободного движения ракеты. Поэтому оценка кинематики и динамики отделения груза под действием всех силовых факторов является важнейшей прикладной научно-технической задачей. Настоящая работа посвящена путям совершенствования исследования принудительного отделения груза при помощи
современных технологий компьютерного математического моделирования. Вопрос выбора инструментария математического моделирования для смежной задачи был рассмотрен автором в [1]. Использование системы компьютерной математики МЛТЬЛБ и встроенного в него средства математического моделирования 81тМвсЬапс (БтиМпк) Ма^аЪ показало себя эффективным при исследовании динамики раскрытия рычагов авиационной катапультной установки. В связи с этим особый интерес представляет собой использование того же инструментария для исследования движения груза уже после его отделения от носителя. Решение смежных задач на основе единой методики и с использованием одних и тех же средств открывает перспективы для создания единой системы синтеза и анализа АКУ.
Целью настоящей работы послужило создание в среде математического моделирования Simulink Matlab модели динамики движения груза после процесса его отделения от носителя. К модели предъявляются следующие требования:
1. Модель предназначена для исследования кинематики и динамики отделения груза.
2. Модель должна быть пригодна для исследования не только плоскопараллельного, но и пространственного движения.
3. Модель должна учитывать инерционно-массовые характеристики отделяемого груза.
4. На данном этапе модель отделяемого авиационного средства поражения должна включать в себя 3 точки приложения сил, соответствующие узлам подвески и центру масс. Однако в модель должен быть заложен потенциал для увеличения числа этих точек для случаев, когда потребуется усложнить модель.
Разработанный программный комплекс состоит из двух блоков: блока подготовки расчетных данных и непосредственно модели отделившегося груза, выполненной в БШиЫпк.
Блок подготовки расчетных данных находится в т-файле (в терминологии Ма^аЪ). Он предназначен для ввода и редактирования величин входных параметров процесса отделения груза: массово-инерционных характеристик, геометрического положения точек приложения сил и моментов, величин сил и моментов с возможностью их задания как постоянной величины, либо в виде функции от времени, либо по нескольким значениям с последующей линейной интерполяцией. Для существующих изделий с уже известными параметрами массово-инерционные характеристики могут быть введены напрямую. Для создаваемых изделий можно использовать описанную в [1] технологию трансляции данных из твердотельной модели SolidWorks в блоковую диаграмму Ма^аЪ, либо внести данные в
m-файл напрямую, если модель отделяемого груза достаточно проста и позволяет это сделать. Так же зарезервированы переменные для задания характеристик движения носителя на тот случай, если дальнейшее расширение модели потребует их введения. Следует отметить, что в m-файле вводятся только величины параметров отделения, а их размерность присваивается уже в самой модели. Работа с блоком подготовки расчетных данных осуществляется во встроенном редакторе MatLab Editor/Debugger.
После окончания ввода данных необходимо активировать да-файл, технически являющийся программой - скриптом, для передачи данных из блока подготовки расчетных данных в рабочую область MatLab. В дальнейшем при работе с блоковой диаграммой Simulink MatLab (S-моделью) динамики отделившегося груза величины параметров отделения будут использоваться, поскольку Simulink так же обращается к рабочей области Matlab.
Модуль математического моделирования процесса отделения представляет собой блоковую диаграмму Simulink MatLab . На рисунке 1 представлен общий вид этой ^-модели.
Рисунок 1 - Общий вид S-модели отделения груза
Модель состоит из нескольких блоков и подсистем, объединенных в единую систему специальными связями.
Блок «Груз» (см. рисунок 2) описывает массово-инерционные характеристики отделяемого груза, а так же положение точек приложения сил и механических связей с «носителем».
Body
Represents a user-defined rigid body. Body defined by mass m, inertia tensor I, and coordinate origins and axes for center of gravity (CG) and other user-specified Body coordinate systems. This dialog sets Body initial position and orientation, unless Body and/or connected Joints are actuated separately
Mass properties
Mass Inertia
|m 11kg PI |j| | |kg*mA2 Pj
*with respect to the CG (Center of Gravity) Body coordinate system
Body coordinate systems
Position I orientation ]_f^l '--
Show Origin position Translated from Components in
port Port side Name vector [xyz] Units origin of axes of
п Left □ CG [0 0 0] m □ WORLD □ WORLD □
PI Left CS1 [0 0 0] m CG CG
PI Right CS2 [0 0 0] m CG CG
PI Left CS3 [0 0 0] m CG CG
PI Left CS4 [M r1 0] m CG CG
PI Left CS5 [b2 r2 0] m □ CG CG
OK |[ Cancel |[ Help || Apply
Рисунок 2 - Параметры блока «Груз»
Для решения текущих задач исследования и отработки модели принято допущение, что центр масс груза совпадает с центом масс носителя, а сам носитель неподвижен относительно «земли». Это достигается за счет отключения связей внутри подсистемы «Носитель» (см. рисунок 3) между блоком носителя и соответствующими блоками задания положений, скоростей и ускорений. Однако сама модель носителя реализована таким образом, что для дальнейших исследований может быть настроена на любое положение отделяемого груза и задание линейных и угловых положений, скоростей и ускорений носителя.
Помимо этого к блоку «груз» подсоединены 3 подсистемы, отвечающие за моделирование силовых воздействий на отделяемый груз.
На рисунке 4 представлена подсистема силового воздействия на задний бугель. Она снабжена блоками входных данных, блоками логики, датчиками и блоком формирования вектора силовых воздействий. Результатом вычислений в данном блоке является вектор силовых воздействий, который «присоединяется» к соответствующей точке на отделяемом грузе.
Рисунок 3 - Подсистема «Носитель»
Рисунок 4 - Подсистема силового воздействия на задний бугель
Так же модель (см. рисунок 1) снабжена системой виртуальных датчиков и интеграторов. В процессе моделирования информация об угловых и линейных ускорениях «снимается» с груза, проходит через систему интеграторов, дважды интегрирующих ускорения по времени. Таким образом, данная модель позволяет получить величины линейных координат и углов поворота груза, его скоростей и ускорений в любой момент времени.
В качестве иллюстрации работы модели на рисунке 5 представлен график зависимости положения центра масс груза по оси Y от времени.
У,м
Рисунок 5 - Зависимость положения центра масс груза по оси У от времени
Выбранные технологии компьютерного математического моделирования показали высокую эффективность при исследования динамики принудительного отделения груза. Реализация этой технологии совместно с другими технологиями компьютерного синтеза и анализа на базе системы компьютерного математического моделирования 81шиНпк МайаЬ открывает пути для повышения качества синтеза и анализа робототехнических систем авиационного вооружения и, в частности, авиационных катапультных установок.
Библиографический список
1. Чемякин А. В., Врублевский Е. Г., Зарецкий Д. М., Юдаков С. В. Методика компьютерной технологии проектирования катапультных устройств для ракетного вооружения самолета пятого поколения.// Труды МАИ. 2010. № 38. С. 44.
2. Тихонов К.М. Разработка моделирования кинематики и динамики адаптивных АКУ / Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем ЛА : Сб. докл. У11-й Всерос. юбилейной науч.-техн. конф. «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем ЛА», Москва, Мос. авиац. ин-т, 25-27 мая 2005 г. / Редкол.: В.А. Полковников (пред.). - М.: Изд-во МАИ, 2005.
3. Дэбни Дж.Б., Харман Т.Л. 81шиНпк 4. Секреты мастерства /Пер. с англ. М.Л.Симонова. М.:Бином.Лаборатория знаний, 2003
Сведения об авторах
Чемякин Антон Владимирович, аспирант Московского авиационного института (государственного технического университета);
тел. 8-916-911-26-07; e-mail: chemyakin_a_v@mail.ru.
