分離系統(tǒng)作為導(dǎo)彈武器的關(guān)鍵子系統(tǒng),涉及到發(fā)射、主動段飛行、在軌飛行等各個過程,其性能直接影響到發(fā)射任務(wù)能否順利完成。分離問題經(jīng)過幾十年的研究,在設(shè)計和驗證方面仍存在不足,現(xiàn)階段的分離系統(tǒng)研發(fā)過程主要采用“經(jīng)驗設(shè)計-試驗-修改”的方法,局限性大,設(shè)計過程中科研人員對分離系統(tǒng)的深層次原理缺乏了解,對分離故障的產(chǎn)生、傳遞等缺乏系統(tǒng)的研究。在目前分離系統(tǒng)設(shè)計過程中,經(jīng)常忽視參數(shù)的不確定性,將其設(shè)置為確定值或者設(shè)置安全系數(shù)來進(jìn)行近似仿真,這樣的處理得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性缺乏有效驗證,初始參數(shù)對分離結(jié)果的影響不能定量反映到設(shè)計方案,這就需要以正向仿真和逆向辨識相結(jié)合的方式輔助科研人員對分離系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和測試。為此,本文圍繞某潛射導(dǎo)彈武器分離問題,通過分離正問題研究來檢測分離系統(tǒng)的不確定性和安全性,通過逆問題研究反推出分離問題的根源。本文建立了統(tǒng)一的分離模型和受力模型,合理地分析分離過程中多種不確定性因素,對分離中參數(shù)不確定性進(jìn)行科學(xué)有效的量化,這對設(shè)計合理可靠的分離系統(tǒng)有重大意義;對于已知分離結(jié)果,本文設(shè)計多種類型的逆問題求解方案,反求分離的初始狀態(tài)和模型參數(shù),以上研究對分離系統(tǒng)的評價和改進(jìn)有重要意義。針對分離系統(tǒng)類型復(fù)雜、仿真模型不統(tǒng)一的問題,建立了統(tǒng)一的分離動力學(xué)模型。本文首先對各種分離系統(tǒng)進(jìn)行分類,找到建模的共同點和不同點,采用約束力方程(Constraint Force Equation,CFE)方法建立通用的分離約束模型,推導(dǎo)了相應(yīng)的約束公式,并對彈性導(dǎo)向模型進(jìn)行了建模。本文設(shè)計了分離過程內(nèi)距離檢測和外距離檢測方法,對于分離體干涉進(jìn)行了分析,建立了統(tǒng)一的檢測模型和檢測方法。通過以上方法,能夠?qū)夐g分離、罩體分離等現(xiàn)階段絕大部分分離過程進(jìn)行仿真分析、干涉檢測,為后續(xù)分離不確定性研究奠定基礎(chǔ)。針對分離過程中,不同分離方案的分離體所處環(huán)境差異較大問題,建立了較完善的分離載荷和干擾庫供仿真調(diào)用,有效避免了過去分離多類型、多偏差、多不確定性導(dǎo)致的仿真失真問題。首先是針對分離受力,包括推力、附加科氏力、燃?xì)馔屏�、分離彈簧以及推進(jìn)器等;然后是分離過程中的約束摩擦力,包括鉸鏈機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和分插機(jī)構(gòu)等;最后是環(huán)境干擾因素,包含晃動因素、氣動力、風(fēng)干擾等建立數(shù)學(xué)模型。通過對分離環(huán)境的精確建模,能夠較貼合實際的模擬出不同分離方案的分離過程。針對分離過程中存在的多種偏差因素導(dǎo)致分離結(jié)果不確定性問題,本文采用概率方法和靈敏度分析法進(jìn)行了研究。首先對分離不確定性因素進(jìn)行分類,采用蒙特卡洛打靶抽樣(Monte Carlo Method,MCM)、拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube Sampling,LHS)以及改進(jìn)抽樣方法對分離不確定性進(jìn)行了研究;由于不同因素對分離結(jié)果的影響大小不同,本文采用了基于仿真試驗的全局靈敏度分析法來進(jìn)行分析,在初步靈敏度分析的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的正交試驗靈敏度分析法、基于LHS方法的靈敏度分析法和基于均勻設(shè)計的Morris方法;本文對于在多種不確定因素影響下分離過程中是否會發(fā)生碰撞以及落點等分離安全性進(jìn)行了研究。分離工程算例分析結(jié)果表明該方法可有效的對分離參數(shù)影響效果進(jìn)行排序,得到分離結(jié)果的散布范圍,進(jìn)而能夠?qū)Ψ蛛x方案安全性進(jìn)行評價和驗證。針對已知結(jié)果反求初始狀態(tài)的分離逆問題,提出了多種逆問題反求方法。本文針對簡單分離反問題直接建立逆動力學(xué)方程,得到逆問題的解析解;針對輸入輸出確定,模型部分參數(shù)未知和輸出及模型確定,部分輸入未知這兩種情況采用辨識解決方案;對于有多個不確定因素未知但已知分布范圍的情況,采用優(yōu)化解決方案,結(jié)合改進(jìn)的帶精英策略的快速非支配排序進(jìn)化算法等方法,以實際結(jié)果為優(yōu)化目標(biāo),求取分離最優(yōu)解;針對多個參數(shù)未知但已知參數(shù)服從的分布規(guī)律的情況,采用基于概率的解決方案;針對多個未知量的復(fù)雜分離系統(tǒng),同時參數(shù)取值范圍未知的情況,采用復(fù)合逆問題求解方案,通過概率方法縮小求解范圍,通過優(yōu)化方法得到最優(yōu)解。通過對多個工程算例進(jìn)行分析,上述幾種逆問題解決方案能夠有效解決分離過程中遇到的各種逆問題。本文最后設(shè)計了兩種有代表性的底罩分離方案,從方案設(shè)計,數(shù)學(xué)建模,參數(shù)設(shè)計,到不確定性分析進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過對分離仿真結(jié)果的對比得出了兩種設(shè)計方案的優(yōu)缺點,并對底罩分離過程遇到的逆問題進(jìn)行了分析,對本文設(shè)計的分離系統(tǒng)研究方案給出了工程實例證明,對類似分離方案設(shè)計提供了參考案例和理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TJ762.4
【部分圖文】：

彈某些分離過程中，分離體之間的重合行程分離時，為了防止分離體碰撞，同構(gòu)對分離過程進(jìn)行約束。對于較大的分加滾輪方式，通過彈簧的預(yù)緊力將滾輪。對于較小的分離系統(tǒng)，往往采用圖

圖 2-10 彈性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 2-10 The schematic diagram of elasticity guiding mechanism先對彈性桿機(jī)構(gòu)對分離作用進(jìn)行分析，在分離過程中，彈性桿會，需要在合理簡化的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)仿真模型。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)彈性桿扁平長方體，如圖 2-11所示。

圖 2-12為彈性桿的偽剛體模型，在彈性桿受到nF 的壓力時，其實際變形情況如左圖所示，彈性桿上每一點都在發(fā)生彎曲變形，比如某點位置取一小段，其偏轉(zhuǎn)角為θ ，其端點的偏轉(zhuǎn)角為φ ，簡化后的變形模型如右圖所示，認(rèn)為只有彈性桿的固定端位置發(fā)生了彈性變形，其自由端位置 N ( x ,y )應(yīng)與左圖相同，可采用伯努利—歐拉方程進(jìn)行求解。

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本文編號：2826064