張培忠，米中賀，陳國利

(63863部隊(duì)，吉林 白城 137001)

某型轉(zhuǎn)管炮是一種高射速反導(dǎo)艦炮，在靶場(chǎng)定型試驗(yàn)時(shí)將進(jìn)行身管壽命試驗(yàn)，按照現(xiàn)行國軍標(biāo)中關(guān)于身管彈道壽命試驗(yàn)方法，身管累積射擊彈數(shù)必須達(dá)到指標(biāo)規(guī)定的彈數(shù)，即火炮的試驗(yàn)總用彈量等于單管壽命指標(biāo)數(shù)與管數(shù)的乘積[1]。按此方法進(jìn)行試驗(yàn)，彈藥消耗巨大，總計(jì)約2萬發(fā)，為了減少彈藥消耗，需要探索新的方法。單管壽命指標(biāo)數(shù)是上級(jí)下達(dá)的，在進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)不能更改，只能考慮減少試驗(yàn)用的管數(shù)。

在身管壽命試驗(yàn)的前期和中期，是結(jié)合其他試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施的，把各項(xiàng)目中射擊彈數(shù)累計(jì)加入身管壽命。試驗(yàn)中轉(zhuǎn)管炮采取滿管射擊，每根身管之間的射擊彈數(shù)、彈藥種類、發(fā)射速度和維護(hù)保養(yǎng)都基本相等，故近似認(rèn)為其內(nèi)膛磨損、初速下降和彈帶削光程度都基本一致。轉(zhuǎn)入試驗(yàn)后期，通過磨損射擊補(bǔ)充射擊彈數(shù)，以到達(dá)身管壽命指標(biāo)。

磨損射擊試驗(yàn)包括4項(xiàng)：初速測(cè)試、彈帶性能檢查和引信瞎火率測(cè)試都是針對(duì)了每根身管做檢驗(yàn)，互不影響，可以抽檢。立靶密集度試驗(yàn)則是檢查整炮彈道性能退化程度，身管之間互相影響，應(yīng)當(dāng)實(shí)施全部身管連發(fā)齊射，如果擬用一部分身管檢查立靶密集度，則必須保證兩種方式下的試驗(yàn)結(jié)果具有一致性，也要保證兩種方式對(duì)參與射擊的每根身管的射擊頻率沒有變化，因?yàn)樯砉苣p速率與射擊頻率有關(guān)系。

本文介紹了用一部分身管代替全部身管進(jìn)行射擊，并使兩種射擊方式的立靶密集度試驗(yàn)結(jié)果具有一致性的方法。暫時(shí)稱此兩種射擊方式具有試驗(yàn)條件相容性。

1 剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)仿真建模

為了研究用一部分身管代替全部身管進(jìn)行立靶密集度試驗(yàn)的方法，并使兩者試驗(yàn)條件相容、試驗(yàn)結(jié)果一致，常采用動(dòng)力學(xué)仿真方法。假設(shè)火炮的機(jī)械構(gòu)件為線彈性體，受到炮膛合力、回轉(zhuǎn)部件慣性力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩等載荷的作用。采用物理自由度表示火炮系統(tǒng)的有限元?jiǎng)恿W(xué)方程[2-3]：

聯(lián)合使用Adams、Nasatran等有限元軟件建立了某型轉(zhuǎn)管炮的剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)仿真模型，其中彈鼓、托架結(jié)構(gòu)剛度較大，只作為剛體模型對(duì)待，而搖架、自動(dòng)機(jī)和身管結(jié)構(gòu)剛度較小，因此作為柔體模型對(duì)待。

2 仿真模型校正實(shí)驗(yàn)

為了校正動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行了某型轉(zhuǎn)管炮模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)[4-5]，測(cè)試點(diǎn)位布置見圖1。采用力錘激勵(lì)法，測(cè)試高低向的振動(dòng)模態(tài)時(shí)，激勵(lì)位置選在身管組的最上方1根身管上，靠近炮口套箍位置，垂直向下敲擊身管。測(cè)試方位向的振動(dòng)模態(tài)時(shí)，激勵(lì)位置選在身管組的最左方1根身管上，靠近炮口套箍位置，水平向右敲擊身管。測(cè)得高低、方位模態(tài)振型見圖2。模態(tài)的頻率、阻尼比和模態(tài)留數(shù)的一部分測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。利用這些模態(tài)參數(shù)就可以建立頻響函數(shù)。

表1 模態(tài)測(cè)試與分析結(jié)果

表2 方位模態(tài)留數(shù)的分析結(jié)果

3 立靶試驗(yàn)條件相容性仿真

3.1 剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)模型仿真

本文僅研究在滿管、非滿管射擊條件下立靶密集度結(jié)果的一致性，而立靶密集度直接與炮口振動(dòng)位移相關(guān)，故僅需要計(jì)算在滿管、非滿管射擊條件下炮口振動(dòng)位移的一致性，不針對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的符合程度。

先以滿管射擊方式進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，獲得方位方向和高低方向炮口振動(dòng)位移曲線。再分別以非滿管(即每間隔1根管射擊1發(fā)彈；每間隔2根管射擊1發(fā)彈)射擊方式，但是要保持身管組的轉(zhuǎn)速不變，以使參與射擊的身管本身的射擊速度沒有改變，進(jìn)而保證身管磨損速率不變，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，獲得炮口高低、方位方向的振動(dòng)位移曲線，其中方位方向曲線如圖3。從圖中可以看出，滿管標(biāo)準(zhǔn)射速射擊與間隔1根管射擊1發(fā)的非標(biāo)準(zhǔn)射速射擊時(shí)，引起炮口方位方向位移響應(yīng)幅值沒有明顯的差別，理論上可以利用間隔1根管射擊1發(fā)的射擊方式代替滿管射擊方式，進(jìn)行立靶密集度試驗(yàn)。而滿管標(biāo)準(zhǔn)射速射擊與間隔2根管射擊1發(fā)的射擊方式時(shí)，引起炮口方位位移響應(yīng)幅值有著明顯的差別，故不能利用間隔2根管射擊1發(fā)的射擊方式代替滿管射擊。

3.2 利用頻響函數(shù)計(jì)算位移響應(yīng)

首先將火炮分別按滿管、間隔1根管射擊1發(fā)和間隔2根管射擊1發(fā)時(shí)的炮膛合近似為等幅周期激勵(lì)。3種射擊方式存在的不同點(diǎn)僅是炮膛合力頻率不同，幅值相同。為了便于計(jì)算，將炮膛合力按其幅值做歸一化處理。

例如，用八階傅立葉級(jí)數(shù)擬合間隔1根管射擊1發(fā)射擊時(shí)的炮膛合力獲得的函數(shù)為Fpt(t)。再經(jīng)過拉普拉斯變換，得到頻域炮膛合力擬合函數(shù)：

Fpt(s)=L[Fpt(t)]

忽略高階模態(tài)的影響，搖架Y與高低方向錘擊點(diǎn)i之間的頻響函數(shù)近似取前4階。利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得的頻率、振型、阻尼和留數(shù)等參數(shù)，近似給出頻響函數(shù)：

同樣得到搖架Y與方位方向錘擊點(diǎn)i之間的頻響函數(shù)。

炮膛合力的動(dòng)力偶作用于后坐部分，使得后坐部分有翻轉(zhuǎn)傾向。搖架Y利用前部套箍和后部滑槽組成支撐反力矩，克服了炮膛合力的動(dòng)力偶，抵制后坐部分翻轉(zhuǎn)，見圖4所示。支撐反力使得搖架Y產(chǎn)生高低、方位兩個(gè)方向的位移響應(yīng)，設(shè)搖架Y整體剛度為K，支撐反力引起的位移響應(yīng)為KN1(s)。此位移響應(yīng)經(jīng)過頻響函數(shù)傳遞到炮口，形成炮口振動(dòng)位移響應(yīng)。

本文僅需計(jì)算在滿管、非滿管射擊條件下炮口振動(dòng)位移的一致性，不針對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的符合程度。在3種射擊方式中動(dòng)力偶臂是不變化的，為了方便取炮膛合力的動(dòng)力偶臂e=1，前部套箍與后部滑槽力臂l=1，搖架Y整體剛度K=1。則頻域炮口振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)：

XiY(jω)=HiY(jω)[KN1(s=jω)]=

頻域炮口振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)再經(jīng)過拉普拉斯反變換后，得到時(shí)域炮口振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)為：

xiY(t)=L-1[XiY(jω)]=L-1[HiY(jω)Fpt(jω)]

火炮分別按滿管、非滿管射擊時(shí)，計(jì)算時(shí)域炮口高低、方位方向的振動(dòng)位移響應(yīng)曲線，其中方位方向曲線見圖5。

從圖5的位移響應(yīng)曲線中可以看出：在自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，滿管射擊與間隔1根管射擊1發(fā)的非滿管射擊時(shí)，引起炮口高低、方位方向振動(dòng)位移響應(yīng)幅值沒有明顯的差別，因此，理論上可以利用間隔1根管射擊1發(fā)的射擊方式代替滿管射擊，進(jìn)行立靶密集度試驗(yàn)。滿管射擊與間隔2根管射擊1發(fā)的非滿管射擊時(shí)，引起炮口高低、方位方向振動(dòng)位移響應(yīng)幅值有著明顯的差別，故不能用間隔2根管射擊1發(fā)的射擊方式代替滿管射擊，進(jìn)行立靶密集度試驗(yàn)。

4 立靶試驗(yàn)結(jié)果的一致性檢驗(yàn)

擬定的新立靶密集度試驗(yàn)方案是：以間隔1根管射擊1發(fā)進(jìn)行射擊，但是自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍然按標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證滿管、非滿管兩種射擊方式下，由自動(dòng)機(jī)質(zhì)量偏心引起的徑向擾動(dòng)一致，從而就可以不考慮自動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)引起的激勵(lì)問題，也使得參與射擊的身管射速不變，保持身管磨損速率不變。具體操作方法是：在射擊前進(jìn)行裝彈操作時(shí)，僅在右側(cè)1個(gè)彈鼓中裝彈，而左側(cè)彈鼓不裝，因?yàn)樽笥覐椆慕惶婀棧@樣就可以達(dá)到每間隔1根管射擊1發(fā)彈的目的。

試驗(yàn)時(shí)首先進(jìn)行滿管立靶密集度射擊項(xiàng)目，之后進(jìn)行了非滿管立靶密集度射擊項(xiàng)目，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩種射擊方式下立靶密集度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用F檢驗(yàn)驗(yàn)證兩種射擊方式得到的立靶密集度具有一致性。給定顯著性水平α=0.10，自由度υ1=54，υ2=54,查表有：Fα/2(υ1,υ2)=1.433

F1-α/2(υ2,υ1)=0.697 8

對(duì)兩個(gè)方向的密集度試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

F1-α/2(υ2,υ1)≤F(υ1,υ2)≤Fα/2(υ1,υ2)

故認(rèn)為兩種立靶密集度試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。

5 結(jié) 論

通過用某型轉(zhuǎn)管炮的剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算，以及用模態(tài)測(cè)試與分析法分析頻響函數(shù)，得到了某型轉(zhuǎn)管炮射擊過程中的炮口振動(dòng)位移和搖架動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從理論上推演了某型轉(zhuǎn)管炮的立靶密集度試驗(yàn)條件相容性，最后又利用實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證這一相容性。經(jīng)研究得出以下結(jié)論：

1)利用某型轉(zhuǎn)管炮的剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)模型，可以仿真其炮口振動(dòng)位移響應(yīng)。

2)用模態(tài)測(cè)試與分析法先獲得某型轉(zhuǎn)管炮的模態(tài)參數(shù)和頻響函數(shù)。炮膛合力曲線頻域函數(shù)與頻響函數(shù)的乘積，經(jīng)過拉普拉斯反變換后，可以得到炮口振動(dòng)位移響應(yīng)。

3)通過比較某型轉(zhuǎn)管炮在滿管、非滿管兩種條件下，獲得的炮口位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，可知兩種試驗(yàn)條件在理論上具有相容性。實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

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