某坦克行进间射击炮口振动优化与分析

陈 宇,杨国来,谢 润,于情波

(南京理工大学 机械工程学院,南京 210094)



某坦克行进间射击炮口振动优化与分析

陈 宇,杨国来,谢 润,于情波

(南京理工大学 机械工程学院,南京 210094)

炮口振动是影响坦克行进间射击精度的关键因素,为了减小弹丸出炮口时的炮口振动,基于多体动力学的刚柔耦合及接触碰撞算法,建立了考虑多个结构非线性因素的坦克行进间刚柔耦合多体系统动力学模型。结合优化设计理论和方法,建立了坦克行进间射击炮口振动优化模型。通过径向基函数法与增广拉格朗日乘子法的结合,对坦克行进间射击炮口振动进行多目标优化设计。优化结果表明,弹丸出炮口时的炮口振动明显降低,优化方法是可行的,对于提高坦克行进间射击精度有一定的参考价值。通过改变车速以及路面等级对优化结果进行假设分析,说明了行进间射击优化的必要性。

坦克;行进间射击;炮口振动;优化

作为现代地面战争快速突击的中坚力量,行进间射击精度是评价坦克战术性能的重要指标,而在影响射击精度的各因素中,炮口振动的影响是最大的。文献[1～2]分析了坦克高速行进射击时,路面激励对火炮身管振动角速度的影响及其与身管角度误差的关系,通过外弹道模型仿真分析了身管速度对射击精度的影响。文献[3]建立并分析了一种考虑驱动器和耳轴摩擦及车体运动影响的主战坦克武器主动控制系统,旨在提高坦克射击精度和首发命中率。文献[4]评估了主战坦克柔性身管的干扰抑制,并提出了一种应用于两自由度柔性身管反馈补偿系统干扰抑制的有效方法,这有利于减小因柔性身管造成的射击精度误差。文献[5]利用自适应遗传算法,优化设计了静止状态下某轮式自行高炮长连发射击引起的炮口振动。文献[6]建立了考虑高低机传动间隙和缓冲制动装置的某榴弹炮虚拟样机,并对静止发射过程中的炮口振动进行了优化。文献[7～8]分别研究了包括路面不平度、柔性身管、耳轴轴承间隙等非线性因素对于自行火炮行进间射击炮口振动的影响,说明了在火炮发射动力学建模中考虑非线性因素的必要性。有关减小坦克行进间射击炮口振动的整体参数优化研究鲜见报道。

本文基于RecurDyn软件平台,建立了坦克刚柔耦合发射动力学模型,并同时考虑了身管衬瓦接触、耳轴轴承接触、路面不平度等多个非线性因素的影响,通过灵敏度分析选择多个设计变量,以弹丸出炮口时的炮口高低角速度和角位移表征炮口振动,对坦克行进间射击的炮口振动进行了优化分析,旨在提高坦克行进间射击精度并说明优化方法的可行性。

1 坦克行进间发射动力学建模

整个系统简化为后坐部分、起落部分、回转部分和底盘4个组成部分。在RecurDyn中利用模态文件将身管柔性化,并通过在身管末端建立的界面节点与炮尾固结。建立身管和前后衬瓦、耳轴与轴承之间的接触碰撞[7]。其他所有构件均简化为刚体,并通过理想约束连接。全炮含260个刚体和1个弹性体,3个滑移铰、39个旋转铰、22个固定铰及8个接触。整个系统共有1 335个运动自由度。系统拓扑结构简图如图1所示。

图1 系统拓扑结构简图

驻退机和复进机载荷分别通过函数拟合,并直接加载在适当位置。数值计算时,在坦克行驶稳定后(约4 s),通过在身管末端界面节点施加炮膛合力模拟发射过程。假设坦克车速为20 km/h,选择考虑左右轮相干性的D级三维路面,其通过谐波叠加法构建,写成路面谱文件后导入到模型中[9-10]。

图2给出了坦克行驶速度曲线。可以发现,0～2 s时间段内坦克处于加速阶段,4 s时坦克处于匀速行驶状态。

图2 坦克行驶速度曲线

2 炮口振动优化建模与计算

2.1 优化模型的建立

为了提高行进间射击精度,基于上一节建立的坦克行进间发射动力学模型,选择合适的优化设计变量,以炮口高低角位移和角速度表征炮口振动,结合优化设计方法,建立坦克行进间射击炮口振动优化模型。

通过系统参数灵敏度分析,选定衬瓦配合间隙C1、前后衬瓦距离D1、衬瓦宽度D2、耳轴配合间隙C2、耳轴横向位置改变X1、耳轴垂向位置改变Y1及炮尾质心垂向位置Y2共7个参数为优化设计变量,优化目标J1和J2分别要求弹丸出炮口时的炮口高低绝对角位移和角速度最小。

(1)

(2)

表1 坦克行进间射击系统优化参数上下限取值

2.2 优化流程

图3给出了完整的优化流程。首先采用离散拉丁方法进行试验设计,共选择了23个采样点,再根据这些采样点,利用径向基函数法[11]拟合出一个分析面,称为元模型。采用这个元模型,在设计空间内通过增广拉格朗日乘子法搜索优化解,确定最佳点。然后,将所选的优化点代入原模型求其精确解。如果这个新的设计不满足收敛准则,分析结果和设计点将增加到原始的DOE表中,并重新构造元模型,再次进行优化。上述优化过程称为具有元模型的有序近似优化(SAOM)。

图3 优化流程图

3 优化结果与分析

经过6次SAOM,最终得到了收敛的优化结果。表2给出了优化前后7个设计变量的比较值,表3给出了优化前后弹丸出炮口时炮口高低绝对角位移|θz|和角速度|ωz|的比较值,Δθz和Δωz为优化前后的变化率。

表2 优化前后7个设计变量比较

表3 优化前后弹丸出炮口时炮口振动比较

图4和图5分别给出了优化前后弹丸膛内运动时期炮口高低角位移及角速度变化的对比曲线。通过优化前后的比较可以看出,在优化后坦克行进间射击系统参数中,耳轴配合间隙与衬瓦的配合间隙增大,衬瓦宽度和前后衬瓦的距离都减小了。此外,优化后耳轴位置向下移动了14.29mm,向后移动了12.38mm,炮尾质心位置向下移动了3.57mm。这使得整个系统的质心向下移动,有利于减小炮口振动。

图4 炮口高低角位移变化曲线对比

图5 炮口高低角速度变化曲线对比

从表3优化前后弹丸出炮口时炮口振动比较来看,优化后得到的设计方案弹丸出炮口时炮口高低绝对角位移减小了83.8%,炮口高低绝对角速度减小了96.3%。因此,通过对优化前后仿真结果的分析可知,优化前弹丸出炮口时的炮口振动较大,优化后各系统参数得到了调整,炮口振动有了明显减小,这有利于提高坦克行进间的射击精度。

上述坦克行进间射击炮口振动优化建模时,限定了行驶工况(包括路面等级和车速),但不同行驶工况条件下,坦克受到的来自路面的激励并不相同,因此,有必要讨论优化结果对于不同行驶工况的适应性。表4给出了在不同行驶工况条件下,优化前后弹丸出炮口时炮口振动的比较。由计算结果可以看出,对于不同的行驶工况,优化的效果并不相同,在某一工况下效果非常好的优化结果,在另一种工况下,效果有可能会大打折扣,甚至会有反向效果。这是由于车体受到的来自路面的激励不同,导致了炮口振动的改变。这间接说明在对坦克行进间炮口振动进行优化时,仅考虑静止条件下的优化是存在明显不足的。

表4 不同行驶工况下优化前后弹丸出炮口炮口振动比较

4 结束语

本文建立了计及多个结构非线性因素的坦克行进间射击炮口振动优化模型,对D级路面、车速20km/h的工况进行了优化计算,优化效果明显,且对于不同车速和不同等级路面有一定适应性。但本文仅对坦克行进间炮口振动优化问题进行了初步的探讨研究,在动力学建模时尚未考虑弹炮耦合、双稳系统等因素,这是后续研究的重点,还需要结合试验测试对所建立的模型进行验证,在此基础上开展考虑多种行驶工况的坦克行进间射击精度多目标优化研究。

[1] 王天雄,吕明,潘晟菡,等.行进间射击复合射击门随机穿越特征量的分析[J].兵工学报,2012,33(12):1 467-1 472. WANG Tian-xiong,LV Ming,PAN Sheng-han,et al.Analysis of complex firing gate based on theory of random cut-through[J].Acta Armamentarii,2012,33(12):1 467-1 472.(in Chinese)

[2]王天雄,薄煜明,赵高鹏.高速行进坦克身管速度对射击精度影响[J].火力与指挥控制,2015,1(1):8-11. WANG Tian-xiong,BO Yu-ming,ZHAO Gao-peng.Simulation research on hit precision of firing high-speed-on-the-move under influence of barrel-speed[J].Fire Control & Command Control,2015,1(1):8-11.(in Chinese)

[3]PURDY D J.Modelling and simulation of a weapon control system for a main battle tank[C]//Proceedings of the Eighth US Army Sympo-sium on Gun Dynamics.Rhode Island:ARDEC,1996:20-1-20-19.

[4]HENRY D,SNECK J.An assessment of main battle tank flexible gun tube disturbance rejection[C]//Proceedings of the Ninth US Army Symposium on Gun Dynamics.Mclean,Virgnia:ARDEC,1998:8-1-8-12.

[5]曹广群,王建中,朵英贤,等.某轮式自行高炮长连发射击炮口扰动结构参数动力学优化[J].火炮发射与控制学报,2014,35(1):52-55. CAO Guang-qun,WANG Jian-zhong,DUO Ying-xian,et al.Structural parameters dynamics optimization of muzzle disturbance in a wheeled self-propelled anti-aircraft gun during long burst fire[J].Journal of Gun Launch & Control,2014,35(1):52-55.(in Chinese)

[6]崔凯波,秦俊奇,贾长治,等.炮口扰动影响参数分析与优化研究[J].火炮发射与控制学报,2010(3):34-37. CUI Kai-bo,QIN Jun-qi,JIA Chang-zhi,et al.Research on analysis and optimization of structure parameters affecting muzzle disturbance[J].Journal of Gun Launch & Control,2010(3):34-37.(in Chinese)

[7]谢润,杨国来.自行高炮行进间射击炮口响应特性研究[J].兵工学报,2014,35(8):1 158-1 163. XIE Run,YANG Guo-lai.Research on response characteristics of muzzle for self-propelled antiaircraft gun firing on the move[J].Acta Armamentarii,2014,35(8):1 158-1 163.(in Chinese)

[8]谢润,杨国来,徐锐,等.考虑耳轴-轴承间隙的自行高炮行进间炮口响应研究[J].振动与冲击,2015,34(16):156-160. XIE Run,YANG Guo-lai,XU Rui,et al.Muzzle response of self-propelled antiaircraft gun on the move in consideration of clearance between trunnion and bearing[J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(16):156-160.(in Chinese)

[9]吴参,王维锐,陈颖,等.三维路面谱的仿真建模与验证[J].浙江大学学报,2009,43(10):1 925-1 938. WU Can,WANG Wei-rui,CHEN Ying,et al.Simulation and validation of three-dimensional road surface spectrum[J].Journal of Zhejiang University,2009,43(10):1 925-1 938.(in Chinese)

[10]任宏斌,陈思忠,吴志成,等.车辆左右车轮路面不平度的时域再现研究[J].北京理工大学学报,2013,33(3):257-259. REN Hong-bin,CHEN Si-zhong,WU Zhi-cheng,et al.Time domain excitation model of random road profile for left and right wheels[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2013,33(3):257-259.(in Chinese)

[11]WANG J G,LIU G R.A point interpolation meshless method based on radial basis functions[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2002,54:1 623-1 648.

Optimization and Analysis of Muzzle Vibration for Tank Firing on the Move

CHEN Yu,YANG Guo-lai,XIE Run,YU Qing-bo

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

Muzzle vibration is the key factor influencing the firing accuracy for tank firing on the move.In order to reduce the muzzle vibration at the time of the projectile passing muzzle,a dynamic model considering multiple nonlinear-factor of multi-body system for rigid-flexible coupling tank on the move was established based on the rigid-flexible coupling and the contact impact arithmetic theories of multi-body dynamics.Combined with the optimum design theory,the muzzle vibration optimization model was established.Radial Basis Functions(RBF)and Augmented Lagrange Multiplier Method(ALMM)were used to solve the multi-objective optimization function for muzzle vibration.The optimization result shows that the muzzle vibration of projectile can be effectively reduced.The proposed optimization method is feasible,and it offers reference for improving the firing accuracy for tank on the move.By changing the speed and the road grade,the what-if analysis shows the necessity of the optimization for tank firing on the move.

tank;firing on the move;muzzle vibration;optimization

2016-04-05

国家自然科学基金项目(11572158)

陈宇(1992- ),男,博士研究生,研究方向为火炮发射动力学。E-mail:njustcheny@163.com。

杨国来(1968- ),男,教授,博士生导师,研究方向为火炮发射动力学。E-mail:yyanggl@mail.njust.edu.com。

TJ3

A

1004-499X(2016)04-0086-04