韓小平,趙富全,郝 剛,周世海

(1.裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072;2.總裝備部 通用裝備保障部，北京 100720 )

某型步兵戰(zhàn)車上配備100 mm車載炮和30 mm自動(dòng)炮(以下簡稱30炮)，為了提高30炮射擊密集度，將其與100 mm車載炮通過支架相連，但是在實(shí)際過程中30炮射擊散布依然較大。筆者通過建立該型步兵戰(zhàn)車武器系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，100 mm車載炮進(jìn)行簡化建模，30炮進(jìn)行細(xì)致建模，并進(jìn)行仿真，重點(diǎn)分析30炮動(dòng)力學(xué)特性，為提高連發(fā)射擊密集度提供一定參考。

1 射擊過程理論分析

30 mm炮身管長行程后坐的自動(dòng)工作原理是利用炮彈發(fā)射時(shí)火藥氣體產(chǎn)生的后坐動(dòng)能，使身管和炮尾進(jìn)行長行程后坐，并通過炮尾帶動(dòng)其他機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。發(fā)射時(shí)，自動(dòng)炮的身管、炮尾連同炮閂在火藥氣體的作用下后坐。身管、炮尾同炮閂首先進(jìn)行自由后坐，在后坐距離達(dá)到一定程度時(shí)，開始壓縮緩沖器彈簧直至后坐結(jié)束。

在被壓縮的緩沖器彈簧的作用下身管開始向前復(fù)進(jìn)，炮閂被自動(dòng)阻鐵卡住而停止運(yùn)動(dòng)，身管與炮尾繼續(xù)在緩沖器彈簧的作用下復(fù)進(jìn)，炮尾在復(fù)進(jìn)的過程中與炮閂配合開鎖、抽殼等一系列動(dòng)作。

擊發(fā)時(shí)，擊發(fā)阻鐵釋放炮閂，炮閂在復(fù)進(jìn)簧的作用下，向前復(fù)進(jìn)到位，炮閂在復(fù)進(jìn)的過程中與撥殼器配合完成撥殼、推彈進(jìn)膛與拋殼、閉鎖炮膛并壓反跳鎖釋放炮尾的后端使身管在發(fā)射后能夠后坐，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)射擊。30 mm自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 動(dòng)力學(xué)特性

2.1 自動(dòng)炮射擊循環(huán)的運(yùn)動(dòng)方程

由自動(dòng)炮工作原理[1]可知，該自動(dòng)炮可以等效為單自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。取炮身為基礎(chǔ)構(gòu)件，帶動(dòng)其他從動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，則其后坐復(fù)進(jìn)遵循以下運(yùn)動(dòng)方程。

(1)

式中：F為作用于基礎(chǔ)構(gòu)件的給定力的合力在其速度方向的分量；Fi為作用于構(gòu)件的給定力的合力在其速度方向的分量(或?yàn)檗D(zhuǎn)軸的給定力矩)，它為廣義力；mi為構(gòu)件i的質(zhì)量(或?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量)，它是廣義質(zhì)量；ki為從基礎(chǔ)構(gòu)件到構(gòu)件i的廣義傳速比；ηi為從基礎(chǔ)構(gòu)件到構(gòu)件i的效率。

2.2 自動(dòng)炮各構(gòu)件撞擊方程

火炮發(fā)射時(shí)，自動(dòng)炮各構(gòu)件在連續(xù)傳動(dòng)過程中，伴隨著劇烈的撞擊。因此，建立各構(gòu)件之間的撞擊運(yùn)動(dòng)方程，是自動(dòng)炮動(dòng)力分析與計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。建立撞擊運(yùn)動(dòng)方程需作一定假設(shè)：撞擊過程中各構(gòu)件的外形不變，并略去撞擊時(shí)外力沖量及彈簧力的影響，同時(shí)撞擊瞬間完成，撞擊時(shí)構(gòu)件的位移不變，只有速度發(fā)生突變。則全系統(tǒng)在基礎(chǔ)構(gòu)件速度方向上的動(dòng)量守恒表達(dá)式為：

(2)

2.3 緩沖簧力

緩沖簧由34對內(nèi)外環(huán)構(gòu)成，內(nèi)環(huán)與外環(huán)接觸面為一個(gè)圓錐面，環(huán)型簧變形時(shí)，外加載荷與各環(huán)的彈性力和摩擦力平衡，由于摩擦力在壓縮(加載)和伸張(卸載)時(shí)改變方向，所以外加載荷在兩個(gè)階段是不相等的，因此緩沖簧剛度在后坐和復(fù)進(jìn)過程中使用不同值。

后坐過程的緩沖簧作用力為：

(3)

復(fù)進(jìn)過程的緩沖簧作用力：

(4)

式中：Xh0為緩沖簧預(yù)壓縮量；X為緩沖簧壓縮位移；Kh為緩沖簧壓縮和釋放時(shí)的剛度；η為緩沖簧工作機(jī)械效率。

2.4 彈帶阻力

在撥進(jìn)彈鏈的過程中拉動(dòng)彈鏈的力為：

(5)

式中：m為帶彈鏈節(jié)的單發(fā)炮彈質(zhì)量；k為單個(gè)彈鏈節(jié)的剛度；Qnm為30發(fā)帶彈鏈節(jié)的炮彈質(zhì)量；v為彈鏈送進(jìn)速度。

2.5 抽殼力

因自動(dòng)炮在復(fù)進(jìn)過程中抽殼，此時(shí)抽殼膛壓可忽略不計(jì)，則抽殼力為：

F=2fπl(wèi)εtE′δ

(6)

式中：εt為藥筒相對緊縮量；l為藥筒緊貼膛壁的長度；δ為藥筒體的平均壁厚；f為摩擦系數(shù)。

3 剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)

3.1 多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立

為了增加仿真效率，需要在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理簡化和修正處理，要在滿足分析研究的需要的條件下使模型零部件盡量少。該炮主要包括身管、緩沖器、炮箱、炮尾、復(fù)進(jìn)簧、后蓋、拋殼器等。在添加約束和邊界條件后，建立了虛擬樣機(jī)模型。為了精簡模型并對炮身、炮閂的受力特性不造成影響，略去炮彈，在一次射擊循環(huán)中彈丸與自動(dòng)炮之間的相互作用使用等效力[2-3]。

3.2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的建立

首先從Solidworks中導(dǎo)出30炮身管的.x_t格式的文件。在ANSYS13.0中打開.x_t格式的文件，選擇單元類型solid92、施加材料彈性模量為2.016 8×1011Pa，泊松比為0.29，密度為7.8×103kg/m3將支撐體劃分網(wǎng)格，在后處理的ADAMS Connection中設(shè)置柔性體屬性，然后生成支撐體的柔性體文件.mnf格式的文件。同時(shí)在ADAMS中導(dǎo)入MNF文件，用Rigid To Flex菜單命令將剛性身管替代成柔性體。100 mm車載炮簡化模型不變。

3.3 炮多剛體動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

應(yīng)用試驗(yàn)值來驗(yàn)證仿真模型的可信度是進(jìn)行下一步分析的基礎(chǔ)，通過部隊(duì)調(diào)研和實(shí)彈射擊測量來獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表1可以看出，各對比數(shù)據(jù)最大誤差不超過10%，表中試驗(yàn)值均為多次試驗(yàn)給出的平均值，同時(shí)從整體上來看，自動(dòng)炮完成單發(fā)時(shí)間試驗(yàn)平均值為156.73 ms，射速為382發(fā)/分，仿真值為153.9 ms，射速為378發(fā)/分?？梢钥闯龇抡嬷岛驮囼?yàn)值具有較好的吻合度[4-5]。

表1 炮身后坐時(shí)位移、時(shí)間、速度關(guān)系對比表

4 仿真計(jì)算及分析

4.1 模態(tài)分析

利用ANSYS Workbench 對身管進(jìn)行模態(tài)分析。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。由于低階模態(tài)對振動(dòng)系統(tǒng)影響較大，越是低階影響越大，故對身管的有限元模型求解共擴(kuò)展了6階模態(tài)。身管前6階的固有頻率和振型描述如表2所示。從前6階固有頻率可以看出身管的固有頻率均較高，其1階固有頻率高于武器射擊頻率(該武器的射擊頻率大約是6.37 Hz)，且不成整數(shù)倍，沒有發(fā)生共振的危險(xiǎn),但是由于身管的前2階振型均為整體振動(dòng)，說明該身管的剛度較好。雖然從第3階開始出現(xiàn)了彎振、扭振等局部振型，身管各部位剛度存在不均勻現(xiàn)象，但對武器的射擊準(zhǔn)確度幾乎沒有影響。身管前6階模態(tài)如圖2所示。

表2 身管前6階模態(tài)

4.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

對30炮剛?cè)狁詈夏Ｐ秃投鄤傮w模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，研究其炮口高低方向擾動(dòng)規(guī)律。仿真時(shí)間為一個(gè)射擊循環(huán)，即從第1發(fā)開始擊發(fā)開始，到下一發(fā)閉鎖擊發(fā)為止，時(shí)間為0.157 s。30炮有無支撐時(shí)垂直方向擾動(dòng)對比如圖3所示。不同間隙時(shí)的30炮垂直方向擾動(dòng)對比如圖4所示。

從圖3與圖4中可以看出：

1)30炮身管依靠100炮身管支撐后，炮口擾動(dòng)整體明顯減小。30炮有支撐情況下，連發(fā)射擊過程中，進(jìn)行下一發(fā)射擊時(shí)，炮口偏離初始位置位移分量為0.1 mm、速度分量為10 mm/s。而相應(yīng)的無支撐時(shí)，位移分量為0.3 mm、速度分量為20 mm/s，支撐可以起到減小炮口擾動(dòng)的作用。

2)支撐體圓柱形套筒與30炮身管上的凸臺之間的間隙越小，炮口擾動(dòng)整體明顯減小。無間隙時(shí)，炮口偏離初始位移量為0.05 mm；0.15 mm間隙時(shí)，炮口偏離初始位移量為0.1 mm；0.3 mm間隙時(shí)，炮口偏離初始位移量為0.2 mm。

3)30炮在進(jìn)行連發(fā)射擊過程中，無論有無支持和間隙大小，下一發(fā)炮彈擊發(fā)時(shí)，炮口高低向的位移和速度分量偏差量都非常小，基本都恢復(fù)到初始位置。

由此可以得到：

30炮身管本身的彈性形變引起的振動(dòng)頻率高，衰減快，基本在0.03～0.05 s之間已經(jīng)衰減到開始的1/10，而一個(gè)射擊循環(huán)時(shí)間為0.157 s，所以由于身管本身的彈性形變引起的振動(dòng)并不是引起火炮射擊散布大的主要原因。30炮的附加支撐體，對于身管來說是一種過定位安裝結(jié)構(gòu)，在同等加工精度下，減小了裝配間隙，在一些情況下提高了30炮的射擊密集度。但是無論有無支撐，在連續(xù)射擊過程中，下一發(fā)擊發(fā)時(shí)，火炮基本恢復(fù)到初始位置，因此火炮身管本身的彈性形變在眾多影響火炮密集度因素中起到很小作用，與實(shí)際情況下該型步戰(zhàn)車連發(fā)射擊散布大是一致的，對于某些沒有附加支撐的30炮，射擊密集度是可以到達(dá)較高水平的，例如俄羅斯裝備的30炮都沒有使用附加支撐體，但是依然達(dá)到了相應(yīng)的射擊密集度，因此30 mm自動(dòng)炮的連發(fā)射擊密集度的影響因素需要進(jìn)一步分析。

5 結(jié)束語

通過受力分析，建立了30炮的剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⑦M(jìn)行了驗(yàn)證。對30炮身管進(jìn)行了模態(tài)分析，表明30炮本身擁有較好的動(dòng)態(tài)特性。在建立的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)的基礎(chǔ)上對30炮進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明30炮連發(fā)射擊時(shí)散布大，并不是由于身管本身的彈性形變引起的，為下一步尋找引起30炮散布大的主要原因打下一定基礎(chǔ)。

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