某迫榴式火炮反后坐装置的结构优化及分析

宋 焦，何 永，赵 威，陶齐冈

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

反后坐装置是火炮关键部位之一，其性能直接影响火炮的结构受力和发射时动态响应。因此，开展关于反后坐装置基于受力优化的结构优化设计，具有十分重要的意义。本文利用ISIGHT 软件开展了对某迫榴式牵引火炮反后坐装置的结构优化，其目的是使得后坐力平稳，从而降低结构受力，有利于减轻全炮质量，并提高火炮的射击稳定性［1-3］。

1 后坐受力分析及动力仿真

1.1 迫榴炮后坐受力分析

本文所研究的某超轻型迫榴式牵引火炮，反后坐装置采用传统的节制杆式制退机和液体气压式复进机。后坐部分通过反后坐装置与炮架弹性连接，射击时沿摇架导轨作后坐、复进直线运动。后坐时后坐部分受力示意图如图1所示。

图1 后坐时后坐部分受力分析

火炮发射时后坐部分的主动力为炮膛合力Fpt、后坐部分重力mhg 和弹丸作用于膛线导转侧力矩Mhz;约束反力为制退机力Fφh、复进机力Ff和摩擦力F［4］。炮膛合力由火药气体和弹丸弹带共同作用产生，膛内时期可表示为

式中:φ 为次要功计算系数;ω 为装药质量;m 为弹丸质量;p为膛内平均压力;A 为线膛部分截面积。

液体气压式复进机力Ff可表示为

式中:Ff0为复进机初力;ν0为气体初体积;Af为复进机活塞工作面积;X 为后坐行程;n 为多变指数，取决于复进机的散热条件和活塞运动速度，一般取n=1.3。

节制杆式制退机的结构原理图如图2 所示。

图2 节制杆式制退机的结构原理

节制杆式制退机，杆后坐时，制退机液压阻力可表示为

其中:K1为主流压阻力系数;ρ 为流液密度;K2为支流阻力系数;A0为制退机活塞工作面积;Ap为节制环孔面积;Afj为复进节制器工作面积;A1为支流最小截面积;V 为后坐速度;ax为流液孔面积，为节制环内径，dx为节制杆任意截面直径。

假设:①发射时所有力均作用在射面内;②后坐部分和除此以外的炮架部分均为刚体;③忽略弹丸作用于膛线导转侧力矩作用［4］。则发射时后坐部分受力可简化为刚体在平面力系作用下动力学问题。取火炮后坐的方向为x 方向，在该方向对后坐部分运用牛顿第二运动定律，则后坐运动方程可表示为

式中:X 为后坐行程;θ 为火炮高低射角。

定义后坐阻力FR为

则式(4)可简化为

在火炮内弹道条件一定情况下，后坐阻力变化与后坐运动和火炮受力有很大关系。

1.2 后坐运动动力仿真结果

本文根据以上公式等编制了仿真计算程序，对该新型120 mm 口径迫榴炮方向射角为0°，高低射角为0°时进行仿真，计算结果如图3、图4 所示。

图3 炮膛合力—时间曲线

图4 后坐阻力、制退机力、复进机力—位移曲线

图3 为炮膛合力曲线，最大值Fptmax为976 kN。图4 中后坐阻力由制退机液压阻力、复进机力和摩擦力组成，曲线呈前低后高的趋势，最大值FRmax为115.17 kN，使得火炮结构受力不尽合理，需进行优化。

2 反后坐装置结构优化

2.1 优化模型建立

对反后坐装置优化时，一般不优化复进机，只优化制退机［5］。由图2 节制杆式制退机的结构原理图和式(3)可知制退机力是流液孔ax和V 的函数，而ax与节制杆尺寸相关，故对节制杆尺寸进行调整，可获得理想后坐阻力曲线。

本文对火炮方向射角为0°，高低射角为0°时的后坐阻力进行优化，建立的优化模型如下。

1)目标函数

选取后坐阻力峰值最小为目标函数，可表示为min FR。

2)设计变量

将节制杆各段的折点直径d1，d2，…，dn及各段轴向尺寸x1，x2，…，xn作为设计变量，设计变量有2n-1 个［6］。

3)约束条件

由于后坐长度受限制，需对后坐长λ 进行约束。为了节制杆在设计时其径向尺寸不小于节制杆最小尺寸dmin，且节制杆能顺利通过节制环，需对节制杆径向尺寸进行约束。为了每次计算有效，对节制杆各段轴向尺寸也需要进行约束。优化时节制杆仍需保证压杆稳定性。本优化具体约束条件

2.2 优化模型实施

本文利用多学科优化软件ISIGHT 集成后坐FORTRAN计算程序建立优化模型，选用修正可行方向法(Modified Method of Feasible Directions-ADS)进行求解，流程如图5 所示。ISIGHT 集成FORTRAN 运行程序如图6 所示。其中输入文件被替换为jzg.dat，执行文件被替换为可执行的FORTRAN 程序文件Recoil_shandi. exe，输出文件被替换为RESULT.DAT。过程集成完成后，在参数表中对设计变量、约束函数和目标函数进行设定。

图5 ISIGHT 集成FORTRAN 优化流程

图6 ISIGHT 集成FORTRAN 运行文件

3 仿真结果及分析

本文通过ISIGHT 软件对火炮方向射角为0°，高低射角为0°时的后坐阻力进行优化。初始和优化后后坐阻力—时间曲线及后坐阻力—位移曲线图如图7、图8 所示。

图7 后坐阻力-时间图

图8 后坐阻力-位移图

由图7、图8 可知，后坐阻力曲线更加平缓，后坐阻力峰值由115.17 kN 降低为90.01 kN，优化前后总体后坐能量基本一致。以上仿真曲线说明通过调节节制杆参数，可以获得较优的后坐阻力曲线。

4 结束语

本文在对反后坐装置进行受力分析的基础上，编写了FORTRAN 计算程序对后坐运动进行仿真，运用ISIGHT 软件集成FORTRAN 计算程序建立优化模型并进行仿真优化。仿真发现该优化模型通过对节制杆尺寸的参数优化，获得了较优的后坐阻力曲线。该优化模型可以减小后坐阻力峰值，使后坐力更平稳，从而降低结构受力，有利于减轻全炮重量和提高火炮射击稳定性。

［1］李强，郑建国，高树滋.火炮稳定性与后坐阻力R 的最优设计［J］.火炮发射与控制学报，1997（1）:34-39.

［2］宗士增，钱林方，徐亚栋.火炮反后坐装置动力学耦合分析与优化［J］.兵工学报，2007（3）:272-275.

［3］何永，杨军荣，高树滋.曲线后坐火炮后坐阻力规律的分析与研究［J］.南京理工大学学报，1997（4）:217-220.

［4］高树滋，陈运生，张月林，等.火炮反后坐装置设计［M］.北京:兵器工业出版社，1995.

［5］郑小将.驻退机优化设计［D］.南京:华东工学院，1990.

［6］周成，顾克秋，邵跃林.火炮制退机节制杆优化设计［J］.火炮发射与控制学报，2012（4）:68-69.