动力偶臂对多功能火炮直射时炮口扰动的影响分析

2019-06-25赵博一石春明王在森

火炮发射与控制学报 2019年2期

赵博一，赵凯，石春明，王在森

(西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099)

多功能火炮作为一种新型的火炮，同时兼备突击、压制、防空3种功能。在执行突击任务时，要求能够发射脱壳尾翼稳定穿甲弹准确命中目标，发挥火力突击的作用。坦克是以脱壳尾翼稳定穿甲弹为主要弹药的武器，坦克炮在设计中采用了平衡设计。多功能火炮由于兼容榴弹与防空弹，结构上未采用自平衡设计，受到不平衡力矩的影响。

炮口扰动是影响射击密集度的重要因素[1]。随着计算机技术的快速发展，多体动力学仿真成为研究火炮动力学的重要工具。在国内已经广泛的运用多体动力学仿真技术对火炮进行研究，取得了众多成果。通过建立某车载火炮的刚柔耦合发射动力学模型，研究柔性体接触对火炮动态响应的影响，验证了火炮动力学中柔性体接触/碰撞模型的合理性[2]。运用多体动力学技术建立坦克底盘-火炮系统的动力学模型，研究坦克底盘对火炮俯仰角振动的激扰作用，为稳定工况下的火炮俯仰角振动特性提供了可以量化的密位范围，为制订火炮的射击操作规范提供了参考[3]。同时，多体动力学仿真技术也用于对火炮射击精度与炮口扰动的研究分析。基于多体动力学的刚柔耦合及接触碰撞算法对坦克行进间炮口振动进行了分析和优化，对提高坦克行进间射击精度有参考价值[4]。通过采用ADAMS与MATLAB联合仿真的方法对研究某轮式自行高炮长连发射击时的炮口扰动问题，得到减小炮口扰动的系统最佳参数匹配[5]。通过建立某车载速射迫击炮连发射击模型，研究得到炮口振动特性[6]。

笔者以某多功能火炮作为研究对象，运用完全柔性体法建立了多功能火炮火力系统的刚柔耦合动力学模型。根据结构特点，选定动力偶臂的变化范围，运用RecurDyn进行仿真计算，分析了在不平衡力矩下，动力偶臂大小的变化对多功能火炮直射时炮口扰动的影响，为多功能火炮动力偶臂的优化提供了参考依据。

1 动力偶臂对炮口扰动的影响

炮膛合力是火炮产生后坐运动的动力[7]，火炮后坐部分质心一般不在炮膛轴线上，通过力系简化，可以将炮膛合力Fpt等效地移动到后坐部分质心上。火炮动力偶臂示意图如图1所示。

图1中，Le为后坐部分质心与炮膛轴线距离；Ld为炮膛轴线与耳轴距离；G为后坐部分重力。规定后坐部分质心G在炮膛轴线的下方为正，在炮膛轴线上方为负。炮膛合力简化到后坐部分质心后，产生一附加力偶FptLe称为动力偶矩，如图2所示。

由于炮膛合力的作用线不通过火炮后坐部分质心，在火炮射击时会产生一个翻倒力矩(动力偶矩)，它对火炮的射击稳定性产生影响；而且翻倒力矩会增大炮口振动响应和弹丸起始扰动，使射击精度性能下降，甚至不能满足战技指标要求[8]。

在内弹道性能确定之后，Fpt的大小和变化规律已经确定，减小动力偶矩FptLe只有通过减小动力偶臂Le来实现。由于Fpt的数值很大，尽管Le很小，动力偶臂FptLe的值仍然较大，因此，总体布置和结构设计时应使Le尽量减小[9]。

2 刚柔耦合动力学模型建立

2.1 完全柔性体与接触算法

模态柔性体RFlex基于有限元减缩积分法生成，完全柔性体FFlex基于有限元完全递归算法生成，两者均可建立柔性多体动力学模型。模态柔性体无法建立柔性体与其他部件的接触，因为接触表现为一个虚拟“附属点”，相较于模态柔性体，完全柔性体可以精确地反映由接触力所造成的局部变形，满足本文动力学模型中接触的建立要求。

完全柔性体的微分运动方程如下[10]：

(1)

式中：T为柔性体动能；ρ为柔性体密度；v为柔性体速度；N为单元体个数；vi为节点i速度；mi为节点i的模态质量；Ii为节点i的模态惯量；ωi为节点i相对于惯性坐标系的角速度在局部坐标系中的矢量表示；ξ为柔性体上的一点；M(ξ)为质量矩阵。

运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程如下：

(2)

式中：M为质量矩阵；K为模态刚度矩阵；D为模态阻尼矩阵；fg为广义重力；λ为对应于约束的拉格朗日乘子；Q为对应于外力的广义力矩阵。

完全柔性体首先定义了Patch集(面或线)，运用两个Patch集来仿真接触，其法向接触力为

(3)

式中：k为接触刚度；c为阻尼系数；m1为刚度指数，m2为阻尼指数；m1和m2产生非线性接触力；m3为缺口指数，产生缺口阻尼效应。

接触摩擦力为

ff=μ|fn|，

(4)

式中，μ为摩擦系数。

2.2 火炮动力学模型的建立

为了减少动力学模型的连接关系，提高运算速度，对火炮模型进行合理的简化。简化微小零件、开孔、倒角和螺栓的连接件，根据机构动作、发射过程与受力因素，将多功能火炮分为后坐、起落和炮塔三大部分分别简化。分析结构细节和运动对仿真过程的影响，对模型进行简化，简化模型如下：

1)将后坐部分炮尾，闩体，制退机筒，复进机筒及相关小零件合为一个部件，并对影响甚微的细节进行简化处理。简化前后如图3所示。

2)对摇架的细节进行简化，简化摇架上的电子设备，其质量质心和转动惯量表现在摇架本体上。简化前后如图4所示。

3)将自动输弹机、高低机、方向机和平衡机等其他固连于炮塔上的机构与炮塔合并为一个部件。炮塔简化模型如图5所示。

根据如图6所示的多功能火炮拓扑关系，在简化后的模型各部件之间建立连接关系。

在建立动力学模型的时候，做出以下假设[11-12]：

1)射击状态0°角直射，弹丸为穿甲弹。

2)身管、摇架、前后衬套为柔性体，其余均为刚体。

3)弹丸在膛内时期简化为一个重合于炮膛轴线向后的炮膛合力，不考虑弹丸对身管的其他因素。

4)高低机与摇架固结于接触点上，不考虑高低机齿轮的转动。

5)主要考虑火力部分结构(动力偶臂)对炮口扰动的影响，忽略车体对炮口扰动的影响，将炮塔直接固定于地面，固定点为炮塔座圈的中心。

将多功能火炮发射时的力学参数加载在实体模型上，完成动力学模型建模，如图7所示。

2.3 刚柔耦合动力学模型建立

为了更加准确地模拟弹丸出炮口瞬间炮口的振动情况，必须建立摇架、衬套和身管的柔性体模型。赋予各部件材料属性并建立柔性体模型，各部件材料系数如表1所示。

表1 部件材料系数

2.3.1 建立摇架、衬套的柔性体模型

实体建模时摇架与衬套为一体，柔性体建模时，分割衬套并对衬套单独使用铜的材料属性进行柔性化处理，这种方法避免了动力学模型中在柔性体摇架与柔性体衬套间建立固定约束，简化了约束个数，可提高模型仿真计算速度和准确度。对摇架和衬套的柔性体建模如图8所示。

2.3.2 建立身管的柔性体模型

为了便于柔性体身管的建立，在不影响运动特性的条件下对身管进行了一些简化，简化了膛线，对影响甚微的开孔、倒角、间隙、槽等特征删除和修改，使得整个身管结构易于网格划分。身管按照直径变化分割为多段，分别进行网格划分。

2.3.3 连接关系建立

使用柔性体身管、衬套、摇架替换动力学模型中的刚性体部件，根据图9所示的耦合关系图建立连接。

在前后铜衬套内侧建立PatchSets；在摇架与起落部分各个部件的固连点处建立了FDR刚性连接区域；在身管后端面和抽烟装置连接处建立FDR刚性连接区域，分别与炮尾、抽烟装置固连；在身管圆柱部与摇架前后铜衬套接触的两个圆柱面上建立PatchSets，并与在铜衬套内侧建立的PatchSets创建接触关系，完成刚柔耦合动力学模型的建立。

2.4 模型验证

加载炮膛合力曲线、制退器力曲线、平衡机力并进行仿真。对摩擦系数、阻尼系数和接触刚度等接触参数进行调整，使仿真结果与理论计算相匹配。

对比身管后坐仿真结果与身管后坐理论计算结果，如图11、12所示。从图中可以看出，仿真后坐位移、后坐位移速度曲线与理论计算基本吻合，证明动力学模型仿真动作，受力正确，接触系数设置合理，可以准确地反映多功能火炮直射时的炮口扰动特性。

3 仿真计算与结果分析

3.1 设计变量与目标函数

以动力偶臂Le为自变量，Le0是动力偶臂的初始值。根据设计结构，Le在±5 mm之间变化为合理范围，超过范围需要对总体结构整体修改，不符合实际需求。在此范围内，通过改变火炮后坐部分质心位置，取得10个动力偶臂Le值为样本仿真计算。选取弹丸出炮口时炮口中心点的相对位移、速度和加速度作为子目标，结合加权法，归一化处理为炮口扰动的目标函数：

(5)

式中：s0、v0、a0分别为原动力偶臂结构设计时炮口位移、速度和加速度的值；c1、c2、c3为加权系数，且c1+c2+c3=1，取值分别为c1=0.1,c2=0.3,c3=0.6.

根据炮口扰动因素对弹丸出炮口时影响的横向对比，炮口加速度a相对于炮口速度v和炮口位移s影响最大，因此权重系数分配最大，炮口位移影响最小，因此权重系数分配最小。

总目标函数:

(6)

式中，f值越大，代表炮口扰动越小，射击精度越好。