基于ADAMS的顶置武器站发射动力学建模与仿真

邓 威，毛保全，杨振军，胡 涛

（装甲兵工程学院，北京 100072）

顶置武器站是可配备多种武器和不同组合的火力控制系统，可搭载于不同军用车辆及平台的模块化武器系统［1］。对顶置武器站进行动力学仿真分析，能够使工程人员全面掌握武器站发射过程中的受力及运动规律，从而为提高武器站射击精度及稳定性提供参考。

显然，建立动力学模型是进行动力学仿真的前提，模型的准确与否，直接关系到仿真结果的可信度。然而，工程人员在建立动力学模型时，往往出于节省计算资源、缩短仿真时间的考虑，对动力学模型进行一定程度的简化，尤其是忽略了一些非线性因素的影响：文献［2］在建立某型通用机枪动力学模型时，将机匣相对于上架的俯仰运动简化成旋转副；文献［3］则将将枪机与枪机框之间的平动和转动运动简化成圆柱副。

研究表明，这些材料非线性、接触非线性因素已经对武器系统动态发射过程产生了不可忽略的影响［4］，因此，在建立顶置武器站发射动力学模型时，有必要将这些非线性因素考虑进来。

1 结构组成及建模特点

某顶置武器站主要包括车内部分及上装部分。其中车内部分包括操纵手柄、显示器、操纵台和火控计算机等。上装部分则包括武器系统、观瞄系统和炮塔系统等［5］。整体结构如图1所示。

在武器系统中，配置的主武器为1门30mm 链式自动炮，该炮最大的特点在于其自动机采用外部能源驱动，即通过电机驱动自动机活动机件。整炮具有结构紧凑、性能可靠、射击精度高、寿命周期长等优点。在该炮击发前，火控计算机根据指挥员操纵指令，在双路供弹机构中通过弹种切换装置选择相应弹种，并输送至进弹口。同时，使用外能源的电机通过圆锥齿轮、链条、滑块、主联杆等一系列传动机构驱动炮闩系统复进，过程中完成推弹入膛、旋转闭锁，最后实施击发。击针击发底火后，火药燃气一方面作用于弹丸底部推动弹丸在膛内向前运动，另一方面作用于炮闩，推动自动机整体后坐。后坐过程中压缩缓冲簧，缓冲簧在吸收后坐能量的同时，将后坐力通过摇架、耳轴、托架、座圈等部件，最终传递到车体上。

综上所述，在建立该顶置武器站的发射动力学模型时，有以下几个特点：

1）顶置武器站属于模块化武器系统，子系统多，零部件多，在建模时应该做到有的放矢，适当精细化关重件，简化次要部件。

2）武器站发射时冲击载荷剧烈，作用力传递路线长，主要受力部件发生弹性变形大，若只将其考虑成刚体，则容易造成仿真结果误差较大，因此，在建模时应将身管等主要受力部件考虑成柔性体。

3）武器站发射时主要活动部件间发生相对位移大，接触碰撞剧烈，耦合作用明显，在建模时还应考虑这些接触非线性因素的影响。

2 建立发射动力学模型

利用SolidWorks、ANSYS、ADAMS等软件平台建立顶置武器站发射动力学模型。通过Solid－Works建立顶置武器站整体几何模型后，次要部件（如弹箱、机枪、导弹、观瞄系统等）作为刚体直接导入ADAMS，关重件（如身管、弹丸、耳轴、托架等）则经由ANSYS处理成柔性体后再导入ADAMS，最后对该刚柔混合模型一并进行约束关系、射击载荷等边界条件的设置。总体流程如图2所示。

2.1 建立几何模型

根据设计图纸，在三维实体建模软件Solid－Works中建立该型顶置武器站整体几何模型，如图3所示。

2.2 建立柔性体

选择其中身管、弹丸、支撑架、耳轴、托架等部件处理成柔性体。首先将该部件几何模型导入ANSYS中进行材料设置、网格划分、创建模态中性文件（MNF），然后将其作为柔性体导入ADAMS。模态中性文件创建流程如图4所示，所创建的关重件有限元模型如图5所示。

2.3 导入模型

将上述建立的模型一并导入ADAMS。由SolidWorks建立的整体模型通过＊X＿t格式导入ADAMS，作为刚体的形式存在；由ANSYS建立的模态中性文件通过ADAMS中的Rigid to Flex指令，导入并替换原有的刚体部件，从而实现柔性体的创建。

2.4 添加约束关系

约束关系体现了部件间的安装及相对运动方式。该型顶置武器站采用自动机整体后坐的方式，摇架通过导轨与自动机上的4个凸起进行配合，在摇架前端安装有支撑架，使得身管只能进行直线的往复运动。摇架中部安装有1 对耳轴。耳轴一端通过花键与摇架配合，另一端分别固连弹箱、观瞄系统；在摇架后端同时固连着机枪及导弹。同时，耳轴通过左右各两对轴承与托架连接，耳轴与轴承内圈固连，托架与轴承外圈固连，中间通过32个滚珠实现武器站起落部分的俯仰。此外，左右托架与炮床焊接成一个整体；上座圈与炮床通过螺栓固连，下座圈则与底盘固连，中间通过64个滚珠实现武器站整体的回转。

为了考虑接触非线性等大量的实际效应，采用更为符合实际效应的接触副来描述部件间的相对运动，主要赋予身管与支撑架间、自动机与摇架间、耳轴轴承滚珠与内外导轨间、上下座圈与滚珠间。

最终对武器站添加约束关系后的简化拓扑关系如图6所示，整体动力学模型如图7所示。

2.5 施加载荷

武器站射击过程中主动力为火药燃气压力，一方面该压力作用于弹丸底端推动弹丸在膛内向前运动，另一方面作用于自动机的闩体上，推动自动机整体后坐。火药燃气压力由经典内弹道方程计算得到［6］：

上述5式分别为速度方程、运动方程、燃速方程、形状函数和能量方程，式中：v为弹丸速度；m为弹丸质量；φ为次要功系数；S为炮膛截面积；p为火药气体平均压力；Z为火药相对已燃厚度；ψ为火药相对已燃部分；χ和λ为火药形状特性量；V为弹后空间容积；V0为药室容积，ω为装药量；α为余容；f为火药力。

在MATLAB中编程求解上述微分方程组，即可得到武器站单发压力曲线。将该曲线作为test data导入ADAMS，通过AKISP函数即可拟合出载荷曲线，如图8所示。连发射击载荷则是在单发的基础上，通过0.2s（对应于300 发／min的射速）的时间间隔进行重复添加，如图9所示。

此外，缓冲器弹簧力作为被动力存在于武器站发射过程中。这里采用平动弹簧阻尼（TSDA）模型进行描述［7］，其弹簧作用力为

式中：K为缓冲簧刚度，根据同类型缓冲器相关文献，取值为600N／mm；X为缓冲簧时变长度；X0为缓冲簧初始长度；C为缓冲簧阻尼系数，取值为10N·s／mm。

3 模型验证

对所建立的顶置武器站发射动力学模型进行验证，主要分为两步：软件验证及实测数据验证。软件验证是指采用ADAMS中自带的Model Verify功能对模型进行初步检验，该功能可以对所建立的动力学模型是否存在过约束、交涉等错误进行检验，从软件的角度确保动力学仿真的顺利进行。

在软件验证通过的基础上，增加实测数据验证，即通过对比实测数据与仿真数据来确保模型的正确性。鉴于实验室已有的资料储备，选定武器站单发过程中最大后坐位移、最大后坐速度、弹丸出炮口速度、单侧缓冲簧最大受力作为验证指标。实测数据与仿真数据对比如表1所示。

表1 武器站单发射击动态参数实测值与仿真值对比

从表1可知，实测结果与仿真结果误差均小于10%，所建立的发射动力学模型满足工程分析的要求，确保了下一步进行算例仿真的模型正确性。

4 仿真算例及分析

由于炮口振动是影响武器站射击精度的重要因素，因此选择炮口振动的表征量——高低向线位移、高低向线速度、水平向线位移、水平向线速度作为待测指标进行仿真计算。仿真工况为：3连发射击、射角射向均为0°、射速为300 发／min，武器站与地面固连。仿真结果如图10所示。

由图10可知：

1）连发时，上一发弹丸发射引起的身管振动基本能在下一发弹丸发射前衰减完毕，从而保证了各发弹丸发射状态的一致性，说明在该射频下武器站的连发射击性能良好。

2）在炮口振动的4 个表征量中，高低向线位移、线速度最大值分为别20.4mm、4.31m／s；水平向线位移、线速度最大值分别为7.5 mm、2.64 m／s。换言之，在相同指标下高低向振动幅值要比水平向振动幅值大，这是由武器站的结构特点及受力规律决定的，符合火炮发射的一般规律。

3）实际上本算例只是在简化工况的情况下验证了武器站射击性能的优越，但要想进一步贴近实际地考察武器站射击性能，还应该在武器站动力学模型中计及行进间路面扰动规律、底盘系统振动特性、火控系统稳定特性等因素的影响。

5 结束语

笔者所建立的顶置武器站发射动力学模型，计及了部件弹性变形及接触／碰撞等非线性因素的影响，客观地反映了武器站的动态发射过程，并通过3连发的仿真算例，预测了武器站良好的连发射击性能。为下一步完善边界条件以全面预测、优化武器站射击性能打下良好的基础。

（References）

［1］毛保全.车载武器技术概论［M］.北京：国防工业出版社，2009：22－23.MAO Baoquan.Firing introduction of vehicle mounted weapon［M］.Beijing：Natinal Defense Industry Press，2009：22－23.（in Chinese）

［2］陈明，马吉胜，贾长治.基于ADAMS的某型通用机枪动力学 建 模 与 仿 真［J］.系 统 仿 真 学 报，2006，（7）：2046－2048.CHEN Ming，MA Jisheng，JIA Changzhi.Virtual prototyping of dual－purpose machine gun based on ADAMS and simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，（7）：2046－2048.（in Chinese）

［3］杨帆，张本军，刘京生.某型通用机枪人枪系统建模与仿真［J］.四川兵工学报，2012，（1）：58－60.YANG Fan，ZHANG Benjun，LIU Jingsheng.Modeling and simulation of dual－purpose machine gun with human characteristics［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2012，（1）：58－60.（in Chinesee）

［4］曾晋春.车载式火炮刚柔耦合发射动力学研究［D］.南京：南京理工大学，2010：1－2.ZENG Jinchun.Study on the rigid－flexible couple launch dynamics of truck－mounted guns［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010：1－2.（in Chinese）

［5］徐振辉，毛保全，赵俊严.遥控武器站功能融合设计思想［J］.装甲兵工程学院学报，2010，（1）：53－57.XU Zhenhui，MAO Baoquan，ZHAO Junyan.Function amalgamation design method of remotely－operated weapon station［J］.Journal of Academy of Armorel Force Engineering，2010，（1）：53－57.（in Chinese）

［6］朱攸长.弹道学［M］.北京：装甲兵工程学院，1980.ZHU Youchang.Ballistics［M］.Beijing：Academy of Armorel Force Engineering，1980.（in Chinese）

［7］徐礼.顶置武器站发射动力学仿真与结构参数优化研究［D］.北京：装甲兵工程学院，2013.XU Li.Study on launch dynamics simulation and structural parameters optimization for overhead weapon stations［D］.Beijing：Academy of Armored Forces Engineering，2013.（in Chinese）