某型步兵战车行进间射击高低机动态接触非线性计算

张金忠,李晓伟,童 睆,苏忠亭

(1.陆军装甲兵学院 兵器与控制系,北京 100072;2.北京京航计算通讯研究所 北京 100074)

射击精度是武器装备的主要指标之一,炮口扰动是表征及影响射击精度的主要因素[1]。步兵战车在行驶过程中,路面载荷对火力线与瞄准线之间的随动有很大的扰动,从而影响射击精度[2]。当静止状态下进行射击时,高低机的输出齿轮与齿弧之间的间隙为静态[3],在重力作用下初始状态静平衡,在射击载荷作用下主动接触机构对被动接触机构为单向接触碰撞,而行进间射击时,稳定系统打开,高低机内部蜗轮、蜗杆结构分离,但由于路面随机载荷的作用,火炮摇架带动高低机输出齿轮呈现杂乱无章的接触状态,影响高低机技术状态,并影响射击精度[4]。本文主要对某型步兵战车在行进间射击过程中高低机齿轮、齿弧之间的动态间隙非线性进行建模与仿真,以建立精细、准确的火炮发射动力学模型。

1 高低机齿轮、齿弧非线性参数的计算

火炮行进间射击时,稳定器开启,摇架带动高低机输出齿轮晃动,高低机输出齿轮与齿弧间为连续啮合状态,轮齿啮合区为齿顶对齿根区域和齿根对齿顶区域[5],针对此接触区域的接触力,基于Contact接触力公式,定义含间隙的轮齿接触面法向接触力[6]:

(1)

式中:K为刚度系数;C为阻尼系数;δ为间隙;n为非线性系数;rgd,rch分别为高低机输出齿轮和齿弧圆心的啮合点圆半径;θgd,θch分别为高低机输出齿轮和齿弧的角位移;2b为齿侧间隙;Fn为齿轮啮合法向接触力。

在ANSYS中建立高低机输出齿轮与齿弧有限元模型,如图1所示。

图1 齿轮与齿弧有限元模型

定义Contact类型为Frictional[7],Contact face为输出齿轮,Element type为Contact 174,Target face为齿弧,Element type为Targe 170,定义非线性系数n=1.3,应用式(1)计算双齿接触力,计算方法采用罚函数法[8],求得如图2所示的双齿区接触特性。

图2 高低机齿轮、齿弧双齿啮合接触特性

将图2中的接触压力、接触渗透量与接触间隙代入式(1),求得双齿啮合刚度为21 075 N/mm。

2 火炮行进间射击动力学仿真分析

根据《车辆振动输入路面平度表示方法》(GB7031—86)定义节点[9],构建单元网格,构造C级～F级仿真路面,如图3所示,在ADAMS中调用该路面子程序进行仿真。

图3 各等级路面

按照各节点膛底合力数值,绘制膛底合力Ft的曲线,如图4所示。

应用ADAMS软件建立步兵战车各分系统模型[10],进行适当的结构简化,添加约束、力、膛底合力以及路面载荷后,将含间隙的高低机输出齿轮与齿弧接触刚度系数代入高低机接触动力学模型中,建立步兵战车整车刚柔耦合发射动力学模型,如图5所示。

图4 弹丸膛底合力

图5 步兵战车火炮发射动力学模型

对2档车速下步兵战车火炮行进间射击仿真,设定边界条件:车速为5.525 m/s,动对静射击,C级、D级、E级与F级路面匀速行进3.5 s,3 s时刻火炮常温穿甲弹射击。

选取高低机输出齿轮与齿弧之间的接触力Fc和火炮身管轴线相对于耳轴的转动角速度ω作为参量进行分析,如图6和图7所示。

图6 2档车速高低机输出齿轮接触力

由图6、图7可以看出,步兵战车匀速行驶过程中,基于高低机齿轮、齿弧的动态间隙非线性,在步兵战车行进过程中摇架齿弧随火炮高低俯仰部分绕耳轴旋转对高低机输出齿轮的冲击力作用下,高低齿轮接触力幅值较大,且步兵战车行进过程中的载荷为周期性载荷,与车速、履带接地长度和步兵战车负重轮分布距离有关。在3～3.16 s火炮后坐复进过程中,火炮发射冲击载荷通过缓冲器、摇架传递至齿弧,与通过车体、炮塔传递至高低机输出齿轮的路面载荷叠加,使得接触力剧增,火炮高低俯仰角速度数值增大。

图7 火炮高低俯仰角速度

3 结论

在步兵战车行进间射击过程中,由于高低机的输出齿轮与齿弧之间处于动态接触状态,因此进行动力学仿真时,接触刚度系数难以人工确定。本文在分析Contact接触力公式的基础上,首先预估接触力,然后应用ANSYS软件双齿啮合接触特性进行修正,应用双齿啮合等效接触刚度系数代替人工输入的方式,最终代入ADAMS软件进行行进间发射动力学仿真,对各参量进行了对比分析,提高了仿真精度。