某型转管炮立靶密集度试验条件相容性研究

张培忠，米中贺，陈国利

(63863部队，吉林 白城 137001)

某型转管炮是一种高射速反导舰炮，在靶场定型试验时将进行身管寿命试验，按照现行国军标中关于身管弹道寿命试验方法，身管累积射击弹数必须达到指标规定的弹数，即火炮的试验总用弹量等于单管寿命指标数与管数的乘积[1]。按此方法进行试验，弹药消耗巨大，总计约2万发，为了减少弹药消耗，需要探索新的方法。单管寿命指标数是上级下达的，在进行鉴定试验时不能更改，只能考虑减少试验用的管数。

在身管寿命试验的前期和中期，是结合其他试验项目实施的，把各项目中射击弹数累计加入身管寿命。试验中转管炮采取满管射击，每根身管之间的射击弹数、弹药种类、发射速度和维护保养都基本相等，故近似认为其内膛磨损、初速下降和弹带削光程度都基本一致。转入试验后期，通过磨损射击补充射击弹数，以到达身管寿命指标。

磨损射击试验包括4项：初速测试、弹带性能检查和引信瞎火率测试都是针对了每根身管做检验，互不影响，可以抽检。立靶密集度试验则是检查整炮弹道性能退化程度，身管之间互相影响，应当实施全部身管连发齐射，如果拟用一部分身管检查立靶密集度，则必须保证两种方式下的试验结果具有一致性，也要保证两种方式对参与射击的每根身管的射击频率没有变化，因为身管磨损速率与射击频率有关系。

本文介绍了用一部分身管代替全部身管进行射击，并使两种射击方式的立靶密集度试验结果具有一致性的方法。暂时称此两种射击方式具有试验条件相容性。

1 刚柔耦合体动力学仿真建模

为了研究用一部分身管代替全部身管进行立靶密集度试验的方法，并使两者试验条件相容、试验结果一致，常采用动力学仿真方法。假设火炮的机械构件为线弹性体，受到炮膛合力、回转部件惯性力和电机驱动力矩等载荷的作用。采用物理自由度表示火炮系统的有限元动力学方程[2-3]：

联合使用Adams、Nasatran等有限元软件建立了某型转管炮的刚柔耦合体动力学仿真模型，其中弹鼓、托架结构刚度较大，只作为刚体模型对待，而摇架、自动机和身管结构刚度较小，因此作为柔体模型对待。

2 仿真模型校正实验

为了校正动力学仿真模型，进行了某型转管炮模态测试实验[4-5]，测试点位布置见图1。采用力锤激励法，测试高低向的振动模态时，激励位置选在身管组的最上方1根身管上，靠近炮口套箍位置，垂直向下敲击身管。测试方位向的振动模态时，激励位置选在身管组的最左方1根身管上，靠近炮口套箍位置，水平向右敲击身管。测得高低、方位模态振型见图2。模态的频率、阻尼比和模态留数的一部分测试结果如表1和表2所示。利用这些模态参数就可以建立频响函数。

表1 模态测试与分析结果

表2 方位模态留数的分析结果

3 立靶试验条件相容性仿真

3.1 刚柔耦合体动力学模型仿真

本文仅研究在满管、非满管射击条件下立靶密集度结果的一致性，而立靶密集度直接与炮口振动位移相关，故仅需要计算在满管、非满管射击条件下炮口振动位移的一致性，不针对计算结果与实际值的符合程度。

先以满管射击方式进行动力学仿真计算，获得方位方向和高低方向炮口振动位移曲线。再分别以非满管(即每间隔1根管射击1发弹；每间隔2根管射击1发弹)射击方式，但是要保持身管组的转速不变，以使参与射击的身管本身的射击速度没有改变，进而保证身管磨损速率不变，进行动力学仿真计算，获得炮口高低、方位方向的振动位移曲线，其中方位方向曲线如图3。从图中可以看出，满管标准射速射击与间隔1根管射击1发的非标准射速射击时，引起炮口方位方向位移响应幅值没有明显的差别，理论上可以利用间隔1根管射击1发的射击方式代替满管射击方式，进行立靶密集度试验。而满管标准射速射击与间隔2根管射击1发的射击方式时，引起炮口方位位移响应幅值有着明显的差别，故不能利用间隔2根管射击1发的射击方式代替满管射击。

3.2 利用频响函数计算位移响应

首先将火炮分别按满管、间隔1根管射击1发和间隔2根管射击1发时的炮膛合近似为等幅周期激励。3种射击方式存在的不同点仅是炮膛合力频率不同，幅值相同。为了便于计算，将炮膛合力按其幅值做归一化处理。

例如，用八阶傅立叶级数拟合间隔1根管射击1发射击时的炮膛合力获得的函数为Fpt(t)。再经过拉普拉斯变换，得到频域炮膛合力拟合函数：

Fpt(s)=L[Fpt(t)]

忽略高阶模态的影响，摇架Y与高低方向锤击点i之间的频响函数近似取前4阶。利用模态实验获得的频率、振型、阻尼和留数等参数，近似给出频响函数：

同样得到摇架Y与方位方向锤击点i之间的频响函数。

炮膛合力的动力偶作用于后坐部分，使得后坐部分有翻转倾向。摇架Y利用前部套箍和后部滑槽组成支撑反力矩，克服了炮膛合力的动力偶，抵制后坐部分翻转，见图4所示。支撑反力使得摇架Y产生高低、方位两个方向的位移响应，设摇架Y整体刚度为K，支撑反力引起的位移响应为KN1(s)。此位移响应经过频响函数传递到炮口，形成炮口振动位移响应。

本文仅需计算在满管、非满管射击条件下炮口振动位移的一致性，不针对计算结果与实际值的符合程度。在3种射击方式中动力偶臂是不变化的，为了方便取炮膛合力的动力偶臂e=1，前部套箍与后部滑槽力臂l=1，摇架Y整体刚度K=1。则频域炮口振动位移响应函数：

XiY(jω)=HiY(jω)[KN1(s=jω)]=

频域炮口振动位移响应函数再经过拉普拉斯反变换后，得到时域炮口振动位移响应函数为：

xiY(t)=L-1[XiY(jω)]=L-1[HiY(jω)Fpt(jω)]

火炮分别按满管、非满管射击时，计算时域炮口高低、方位方向的振动位移响应曲线，其中方位方向曲线见图5。

从图5的位移响应曲线中可以看出：在自动机转速不变的情况下，满管射击与间隔1根管射击1发的非满管射击时，引起炮口高低、方位方向振动位移响应幅值没有明显的差别，因此，理论上可以利用间隔1根管射击1发的射击方式代替满管射击，进行立靶密集度试验。满管射击与间隔2根管射击1发的非满管射击时，引起炮口高低、方位方向振动位移响应幅值有着明显的差别，故不能用间隔2根管射击1发的射击方式代替满管射击，进行立靶密集度试验。

4 立靶试验结果的一致性检验

拟定的新立靶密集度试验方案是：以间隔1根管射击1发进行射击，但是自动机转速仍然按标准转速进行转动，以保证满管、非满管两种射击方式下，由自动机质量偏心引起的径向扰动一致，从而就可以不考虑自动机回转引起的激励问题，也使得参与射击的身管射速不变，保持身管磨损速率不变。具体操作方法是：在射击前进行装弹操作时，仅在右侧1个弹鼓中装弹，而左侧弹鼓不装，因为左右弹鼓交替供弹，这样就可以达到每间隔1根管射击1发弹的目的。

试验时首先进行满管立靶密集度射击项目，之后进行了非满管立靶密集度射击项目，试验数据见表3。

表3 两种射击方式下立靶密集度试验结果对比

利用F检验验证两种射击方式得到的立靶密集度具有一致性。给定显著性水平α=0.10，自由度υ1=54，υ2=54,查表有：Fα/2(υ1,υ2)=1.433

F1-α/2(υ2,υ1)=0.697 8

对两个方向的密集度试验结果分别进行一致性检验：

F1-α/2(υ2,υ1)≤F(υ1,υ2)≤Fα/2(υ1,υ2)

故认为两种立靶密集度试验结果具有一致性。

5 结 论

通过用某型转管炮的刚柔耦合体动力学仿真模型计算，以及用模态测试与分析法分析频响函数，得到了某型转管炮射击过程中的炮口振动位移和摇架动态响应，从理论上推演了某型转管炮的立靶密集度试验条件相容性，最后又利用实弹射击试验验证这一相容性。经研究得出以下结论：

1)利用某型转管炮的刚柔耦合体动力学模型，可以仿真其炮口振动位移响应。

2)用模态测试与分析法先获得某型转管炮的模态参数和频响函数。炮膛合力曲线频域函数与频响函数的乘积，经过拉普拉斯反变换后，可以得到炮口振动位移响应。

3)通过比较某型转管炮在满管、非满管两种条件下，获得的炮口位移动态响应曲线，可知两种试验条件在理论上具有相容性。实弹射击试验结果也证明了这一点。

参考文献(References)

[1] 国防科技工业委员会.GJB349.23-90 常规兵器定型试验方法 高射炮 海军炮[S].1990.

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