影响炮口扰动的火炮总体结构参数灵敏度分析与优化
2016-08-12徐志远葛建立杨国来
徐志远,葛建立,杨国来
(南京理工大学 机械工程学院,南京 210094)
影响炮口扰动的火炮总体结构参数灵敏度分析与优化
徐志远,葛建立,杨国来
(南京理工大学 机械工程学院,南京210094)
摘要:从减小炮口扰动的角度出发,利用ADAMS软件建立了某火炮发射过程的刚柔耦合模型,考虑了身管、摇架、上架的变形,通过灵敏度分析获得了火炮总体结构参数对炮口扰动的影响强弱;结合灵敏度分析结果,联合小生境遗传算法与ADAMS软件进行了火炮动力学的多目标优化分析,有效降低了炮口扰动,对火炮结构设计和动力学分析具有一定参考价值。
关键词:炮口扰动;刚柔耦合;灵敏度分析;多目标优化
本文引用格式:徐志远,葛建立,杨国来.影响炮口扰动的火炮总体结构参数灵敏度分析与优化[J].兵器装备工程学报,2016(6):45-48.
Citationformat:XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai.OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):45-48.
射击密集度是火炮研制的重要指标,而炮口扰动是影响射击密集度的重要因素。目前,国内外对炮口扰动的动力学分析优化进行了大量研究,戎保等[1]对近年来国内外多体系统动力学建模方法、求解策略等方面的研究现状进行了概括和总结。曾晋春[2]基于多体动力学、接触/碰撞动力学和数值计算等理论对某车载炮的刚柔耦合建模进行了研究。蔡文勇等[3]将遗传算法和多刚体动力学进行联合,实现了以炮口扰动为目标的动力学优化。张俊飞[4]应用有限元法建立了某牵引炮的弹炮耦合模型,并通过灵敏度分析与优化设计等方法对火炮结构参数进行了匹配与优化。Krzysztof[5]提出了多体系统数值模拟的方法,并验证了该方法的可行性。陈世业[6]建立了系统的多目标优化数学模型,并结合NSGAII遗传算法求得对应的Pareto解,为火炮系统的结构优化提供了一定参考。周乐等[7]和王飞等[8]建立了刚柔耦合模型,并分别对火炮的反后坐装置结构和射击稳定性进行了优化研究。
本文以某牵引炮为研究对象,建立了以身管、摇架和上架为柔性体,炮尾、炮口制退器、下架等为刚体的刚柔耦合动力学模型。并利用ADAMS/INSIGHT模块进行了总体结构参数灵敏度分析,找出对炮口扰动影响较大的参数,然后应用小生境遗传算法进行优化研究。
1 多体动力学建模及总体结构参数灵敏度分析
1.1火炮刚柔耦合动力学建模
根据火炮的结构组成和发射过程,将火炮简化为由身管、摇架、上架3个柔性体和炮尾、炮口制退器、下架等多个刚体组成的刚柔耦合系统。利用HYPERMESH对身管、摇架和上架进行柔性体建模和模态分析,生成模态中性文件(.MNF文件),ADAMS软件可直接调用。火炮发射过程建模时各部件约束关系和载荷:约束关系表现为各部件之间的连接关系;载荷主要考虑炮膛合力、复进机力、制退机力和平衡机力等,火炮发射时载荷可通过FORTRAN语言编程生成动态链接库,嵌入火炮多体动力学模型。衬瓦和身管,齿弧和高低齿弧进行接触建模。某牵引火炮全炮拓扑示意图如图1。
1.2火炮总体结构参数灵敏度分析
由于火炮系统的复杂性,很难直接给出一组合适的设计参量,使其满足战术等指标,这就需要对众多的设计参量进行匹配和研究。灵敏度是目标函数对设计变量的偏导数,充分反映了目标函数对设计变量的依赖关系。利用灵敏度分析的方法对火炮总体结构参数进行分析,根据参数对目标函数的影响情况,确定火炮总体结构的部分参数为设计变量,从而使火炮总体结构参数的优化匹配成为可能。
火炮的总体结构参数主要包括各部件的质量、质心位置、转动惯量、等效刚度和等效阻尼等。灵敏度分析之前,应对模型进行参数化。然后,参考前期工作及相关文献[9],选取炮口制退器质量、炮尾质量、上架质量和质心位置、高低机的等效刚度和阻尼等16个参数作为因素,各因素水平设置为±10%。本文选用DOEResponseSurface创建矩阵,该方法主要用于确定多个设计参数共同作用对响应函数影响情况;试验设计类型选择D-optimal,此法有利于从所有参数中筛选出对模型影响大的设计参数,因素与响应的拟合关系选择Quadration,试验次数为256。
表1 灵敏度分析结果
表2 设计参数的设置及角位移灵敏度分析结果
表2(续)
综合各子目标的灵敏度分析结果选出对炮口扰动影响较大的8个参数:下架质量、下架z向质心位置、炮尾质量、炮口制退器质量、炮尾x向质心位置、前座盘弹簧刚度系数、前衬瓦x向位置和后衬瓦x向位置。
2 炮口扰动优化分析
2.1设计变量与目标函数
以上文选取的8个参数作为设计变量。因炮口扰动影响着弹丸的起始扰动,而弹丸起始扰动又直接影响着射击密集度。因此,在参考文献[9]的基础上选取对弹丸起始扰动影响较大的炮口y向线速度v、炮口z向角位移θ、炮口y向角速度ω和炮口y向位移s作为子目标,并赋予各子目标相应的权重系数,并对各子目标进行归一化处理。归一化的总目标函数为:
(1)
式(1)中:s0、v0、θ0、ω0分别为初始值,c1、c2、c3、c4为加权系数,取值分别为0.2,0.25,0.25,0.3,且c1+c2+c3+c4=1。炮口y向位移s对射击密集度影响较小,因此权重系数最小。
适应度函数:
(2)
2.2遗传算法
本文采用小生境遗传算法进行多目标优化。小生境遗传算法是在遗传算法的原有结构上引入小生境技术,不仅保持了原遗传算法的特点,还维持了群体的多样性,提高了遗传算法处理多峰值优化问题的能力,其全局寻优能力和收敛速度更适合于复杂函数的多目标优化问题[9-10]。
通过FORTRAN对数值计算语言进行编写,完成了ADAMS的二次开发应用。优化时,读取原始adm文件,修改设计变量写入修改后的adm文件中,调用修改后的adm文件、bat文件(批处理文件)和acf文件(ADAMS/SOLVER计算控制文件),联合ADAMS/SOLVER进行仿真运算,并获得仿真结果。在运行过程中将根据所要求解问题的目标函数构造适应度函数,从而对由多个解构成的种群进行评估、选择、交叉和变异;同时在经过多代繁殖后,把适应度值最大的个体作为所求解问题的最优解。数值计算过程如图2所示。
图2 数值计算框图
2.3优化结果与分析
小生境遗传算法(NPGA)与ADAMS联合优化可以得出多组优化方案,选取其中最优的一组优化结果进行分析,目标函数优化前后的曲线变化如图3—图6所示。
图3 炮口z向角位移优化前后曲线对比
图4 炮口y向线速度优化前后曲线对比
图5 炮口y向角速度优化前后曲线对比
图6 炮口y向位移优化前后曲线对比
优化目标角位移θ/(°)线速度v/(mm·s-1)角速度ω/(rad·s-1)位移s/mm优化前-0.0228-185.910511.617-1.532优化后-0.0178-106.52213.8053-0.956变化率/%21.842.767.237.6
对比图3—图6可以看出,优化后的角位移θ、线速度v、角速度ω、位移s的最值及出炮口瞬间的值都比优化前有所降低;图4—图5随着时间的增加,线速度和角速度的优化效果更加明显,优化后的曲线比优化前的变化趋势更平缓,优化值也明显降低。
由表3可知,弹丸出炮口瞬间的角位移θ、线速度v、角速度ω、位移s的幅值均有所减小,其中角速度ω的优化效果最为明显,比优化前降低67.2%,而其他3个子目标的值也都降低了20%以上,由此可以说明本文的优化方法是可行的。
3 结论
本文建立了某炮刚柔耦合动力学模型,并进行了总体结构参数的灵敏度分析,筛选出了8个参数作为设计变量,并利用小生境遗传算法对炮口扰动进行了优化分析。对比弹丸出炮口前和出炮口瞬间的炮口扰动情况,结果表明优化后的炮口扰动值比优化前明显降低,充分说明了该方法的可行性。另外,本文仅从理论的角度探讨了火炮总体结构参量的优化情况,为保证优化结果的可信度,最好与相应的实验进行相互验证。
参考文献:
[1]戎保,芮筱亭,王国平,等.多体系统动力学研究进展[J].振动与冲击,2011(7):178-184.
[2]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.
[3]蔡文勇.大口径车载火炮多柔体动力学与总体优化研究[D].南京:南京理工大学,2009.
[4]张俊飞.某火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[D].南京:南京理工大学,2014.
[5]KRZYSZTOR Z.Modelling dynamics of certain class of discrete multi-body systems based on direct method of the dynamics of relative motion[J].Meccanica,2012,47(7):1527-1551。
[6]陈世业.自行火炮弹炮多体发射系统动力学仿真研究 [D].南京:南京理工大学,2013.
[7]周乐,杨国来,葛建立.基于遗传算法的火炮反后坐装置结构多目标优化研究[J].兵工学报,2014,36(3):433-436.
[8]王飞,杨国来,葛建立.某火炮射击稳定性的总体参数灵敏度分析与优化[J].火炮发射与控制学报,2014,35(4):58-61.
[9]杨国来.火炮发射动力学[M].南京:南京理工大学出版社,2006.
[10]XU ZHE,LU SUSAN.Multi objective optimization of sensor array using genetic algorithm[J].Sensors and Actuators,2011,160(1):278 -286.
[11]谢润,杨国来,徐龙辉. 自行火炮行进间刚柔耦合多体系统动力学分析[J].南京理工大学学报(自然科学版),2014(5):588-592.
(责任编辑周江川)
doi:10.11809/scbgxb2016.06.010
收稿日期:2015-12-26;修回日期:2016-01-27
基金项目:国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ47076508)
作者简介:徐志远(1989—),男,硕士研究生,主要从事火炮结构优化研究。 通讯作者:葛建立(1980—),男,博士研究生,硕士生导师,主要从事结构设计、火炮动力学仿真、计算固体力学等研究。
中图分类号:TJ3
文献标识码:A
文章编号:2096-2304(2016)06-0045-04
OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance
XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai
(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)
Abstract:A rigid-flexible coupling model of a gun, considering the deformation of the barrel, cradle and carriage, was established in ADAMS to study the optimization of muzzle disturbance. The overall structure parameters of gun muzzle disturbance were identified through sensitivity analysis. The gun dynamics optimization was performed by combining niche genetic algorithm and ADAMS software, and the muzzle disturbance was effectively reduced. This work is valuable for the structural design and dynamic analysis of guns.
Key words:muzzle disturbance; rigid flexible coupling; sensitivity analysis; multi-objective optimization