反后坐装置布局对炮口振动的影响研究

萧　辉,杨国来,葛建立,于情波

(南京理工大学 机械工程学院,南京 290014)



反后坐装置布局对炮口振动的影响研究

萧辉,杨国来,葛建立,于情波

(南京理工大学 机械工程学院,南京 290014)

摘要:炮口振动是影响火炮射击精度的关键因素之一,它与反后坐装置布局及载荷传递密切相关。利用Flex-Flex接触碰撞模型模拟前后衬瓦与身管的相互作用,通过含微小间隙的改进接触算法和计及运动间隙的修正的Coulomb摩擦力方程表征揺架衬瓦和身管的接触碰撞关系,建立了全炮刚柔耦合发射动力学模型,在验证模型的基础上对提出的反后坐装置布局方案进行数值仿真和评估分析。研究结果表明,反后坐装置对称布局方案可有效降低炮口振动和衬瓦接触力,有利于提高射击精度和衬瓦磨损寿命,对该类火炮总体设计具有重要意义。

关键词:火炮;后坐装置;炮口振动;揺架衬瓦;接触碰撞

对于筒型揺架而言,身管是通过安装在揺架内侧的前后衬瓦所提供的支反力完成后坐复进运动的。高速后坐过程中间隙引起的碰撞会使身管发射弹性振动而影响炮口响应。因此,建立合理的接触模型,考虑间隙运动副的身管-揺架衬瓦接触碰撞,并对不同反后坐装置结构布局进行研究分析,对提高火炮射击精度有着重要意义。

刘雷[1]通过无质量的哑物体来定义柔性身管和刚性摇架的接触;秦志英等[2]通过揺架与绝对坐标系固定连接的方式讨论了身管和衬瓦间隙对炮口振动的影响;邓伟[3]分析了间隙、接触参数对火炮动力学响应的影响,通过参数辨识获得了某火炮揺架和衬瓦的接触刚度和阻尼;谢润等[4]考虑身管和揺架的间隙,基于文献[3]的辨识结果建立了坦克炮身管衬瓦的刚-柔接触模型,得出接触模型能更实际地反映坦克炮射击过程身管的受力特性。现有研究针对火炮身管与衬瓦部分含间隙运动副的柔体-柔体接触碰撞建模与动力学分析较少,且未见对反后坐装置对称布局的结构进行动力学分析计算的报道。对反后坐装置结构优化主要是对节制杆、制退筒及制退杆等进行几何尺寸的优化[5-7],梁传建等[8]对复进机和制退机的3种固定方式、在揺架上方的3种布置方式对炮口振动的影响进行了研究。

本文以非线性弹簧阻尼模型为间隙滑移副接触建模方法,利用接触弹塑性力学理论研究了计及间隙、材料属性微小间隙的接触模型,得到了接触参数;引入计及运动间隙的修正的Coulomb摩擦力方程,并以此建立了考虑身管分别与前后衬瓦间柔体-柔体(Flex-Flex)接触碰撞的全炮多体动力学模型。提出2种改进的反后坐装置对称布局方式,用建立的全炮动力学模型进行数值计算,分析了这3种不同反后坐装置布局对某火炮炮口振动的影响。

1全炮刚柔耦合建模

1.1柔性衬瓦和身管接触碰撞参数的确定

图1为某牵引炮摇架和后坐部分示意图。

图1　某牵引炮揺架和后坐部分示意图

如图1所示,揺架前、后衬瓦与身管接触时,接触面积与衬瓦本身尺寸相当,再考虑接触间隙、弹性变形等,已不满足Hertz接触的非协调接触条件。故采用改进的含微小间隙接触模型来计算接触刚度。对于该类Hertz接触模型,其接触区域正下方的应力σz的表达式为

(1)

式中:p为接触表面压力,z为距接触表面的深度,a为接触区半宽度。在小变形接触条件下,根据几何变形关系、接触碰撞理论,可以求得微弧段ds上铅垂向接触力dFc为

(2)

式中:α,α0分别为接触前半角和接触半角;体积弹性模量K为

式中:i=1,2;E1和E2分别为衬瓦和身管的材料弹性模量;μ1,μ2分别为衬瓦和身管的泊松比;d为衬瓦和身管的半径间隙;δ为法向变形量。

式(2)即为根据运动副几何参数和变形穿透量得到的接触载荷与局部变形的关系。该接触载荷与局部变形曲线在某瞬时碰撞处附近的曲线斜率即为非线性接触刚度k,如下式所示:

(3)

揺架前、后衬瓦与身管接触碰撞时,摩擦力的计算引入了考虑运动间隙的修正的Coulomb摩擦力模型[9],其动摩擦系数不是一个常数,而是与切向滑动速度有关,是切向滑动速度的函数。

1.2全炮动力学建模

基本假设:不考虑射击过程中弹丸与身管的耦合作用,发射前处于静平衡状态。

运用模态叠加法分别创建身管、摇架及上架的模态中性文件来建立柔性体,火炮其余部件均为刚体;分别建立该火炮各部件间及其与大地的合适连接关系,编制炮膛合力、复进机力、制退机力、平衡机力的动态链接库加载模型的载荷,从而建立起全炮的刚柔耦合动力学模型。

1.3模型验证

本研究中火炮发射时采用的工况:高低射角及方向射角均为0°。将建好的全炮动力学模型进行数值仿真计算,并与实验测试结果进行对比,如表1所示,误差很小,说明该动力学模型具有较好的可信度。表中,sc,st分别为后坐位移的数值计算值和测试平均值;FRc、FRt分别为最大后坐阻力的数值计算值和测试平均值;θz,c,θz,t分别为炮口高低角位移的数值计算值和测试平均值;Δs,ΔFR,Δθz为相对误差。

表1　数值计算结果与样炮实测结果

2反后坐装置布局方案设计

适当地布局反后坐装置能使复进机力和制退机力产生的不对称力矩相互抵消。考虑火炮减重及总体结构布局的可行性,将复进机和制退机沿身管轴向对称布局的2种方案与原设计方案进行对比。3种方案如下:方案1(原方案)为复进机和制退机水平布局;方案2为复进机布局在揺架上方,制退机布局在揺架下方;方案3采用2个制退机、2个复进机,并分别在摇架的上下成对称布局。此时每个复进机、制退机上加的载荷为原来的一半。这3种布局方案如图2所示。

图2　反后坐装置布局示意图

3数值计算与结果分析

对上述3种方案依前述方法建立对应发射动力学模型,对其射击后210 ms进行数值仿真计算。选取炮口高低角位移θz、高低角速度ωz、前后衬瓦接触力FN1和FN2进行比较分析。

结合图3、图4,在弹丸出炮口瞬间(约12.95 ms)及前一段时间内,采用方案2、方案3时火炮的高低角位移较方案1分别减小了23.0%和34.5%;膛内时期,采用方案2、方案3时其最大炮口高低角速度仅为方案1的66.5%和34.1%。炮口高低角位移和角速度不仅较小,且曲线也较为平缓。

图3　高低角位移对比曲线

图4　高低角速度对比曲线

膛内时期前、后衬瓦接触力分别如图5和图6所示。由图可见,出炮口前一段时间,方案3的接触力均最小,特别是前衬瓦与身管的接触力在出炮口时仅约为方案1的20%;整个阶段方案3的接触力变化幅度也最小,有利于提高火炮的射击稳定性。值得指出的是,膛内时期,前衬瓦、后衬瓦与身管的接触力均有 “换向”现象,分别发生在射击后约3 ms和6 ms时刻。

图6　膛内时期后衬瓦接触力对比曲线

图7和图8分别为射击后210 ms内前衬瓦、后衬瓦的接触力对比图,此时间段包含了整个后坐和复进时期。可以看出,方案3的前衬瓦接触力几乎都较其他两个方案的小,且变化较为平稳,其最大接触力较方案1减小了约40%;方案2的最大接触力也较方案1减小了约30%。与此同时,方案3的后衬瓦接触力也是最优的,绝大部分时刻其大小不到方案1的50%,方案2的后衬瓦接触在很多时刻也较方案1减小约50%,但是其变化趋势不及方案1那样平缓。

图7　射击后210 ms内前衬瓦接触力对比曲线

图8　射击后210 ms内后衬瓦接触力对比曲线

各参数对比如表2所示。表中,θz，ωz为弹丸出炮口时刻炮口中心相应的参数;FN1,max,FN2,max分别为膛内时期前衬瓦和后衬瓦接触力最大值。以上数值计算结果均很好地说明了方案3能更有利于抑制炮口振动。方案2较原方案也有一定的改进,但是不及方案3效果显著。

表2　火炮发射时各参数对比

4结束语

本文以某大口径牵引火炮为研究对象,考虑了间隙滑移副,基于改进了的Hertz接触模型并引入修正的Coulomb摩擦力方程,建立了揺架前、后衬瓦与身管的柔体-柔体接触碰撞关系,进而建立了全炮刚柔耦合发射动力学模型。为减小炮口振动,提出2种复进机和制退机对称布局的反后坐改进布局方案,并以上述模型对3种不同反后坐装置结构布局方案进行动力学数值计算分析。

数值计算表明:①反后坐装置布局方式中采用2个制退机、2个复进机分别在摇架的上下成对称布局,能更好地减小炮口振动,有利于提高射击精度,且也减小了揺架衬瓦接触力,有利于提高衬瓦的摩擦寿命;②该火炮膛内时期,前、后衬瓦与身管的接触均有“换向”现象。

本研究对火炮总体设计具有一定的参考价值。需要指出的是,本文在研究过程中对模型进行了一定的简化,如简化了耳轴和耳轴座的连接关系为理想转动副。

参考文献

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Research on Influence of Recoil Mechanism Structure on Muzzle Disturbance

XIAO Hui,YANG Guo-lai,GE Jian-li,YU Qing-bo

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:Muzzle disturbance is one of key factors influencing the firing accuracy,and it is closely related to arrangements of recoil mechanism and load transfer.The relationships of front and back bushings and barrel were simulated by Flex-Flex contact model.A modified Hertz contact model and a Coulomb friction equation with clearance joints were introduced to simulate the contact relationships of barrel-cradle bushing.The rigid-flexible coupling dynamic model of artillery was established.Numerical simulations and evaluation analysis of these schemes of recoil mechanism were carried out based on the proved model.Research shows that the muzzle disturbance and contact force can be reduced effectively by symmetrically setting recoil mechanism.The proposed recoil-mechanism can improve the firing accuracy and extend the performance life of cradle bushings,and it has great significance for artillery systematic design.

Key words:artillery;recoil mechanism;muzzle disturbance;cradle bushing;contact

收稿日期:2016-01-05

基金项目:国家自然科学基金项目(11172139);国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ47076508);中央高校基本科研业务费专项资金(No.30915118825)

作者简介:萧辉(1988- ),男,博士研究生,研究方向为火炮发射动力学与结构振动分析。E-mail:xiaohui238@gmail.com。 通讯作者:杨国来(1968- ),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为火炮现代设计理论与方法。E-mail:yyanggl@mail.njust.edu.cn。

中图分类号:TJ303.4

文献标识码:A

文章编号:1004-499X(2016)02-0053-04