柯 彪，高躍飛，曹紅松，賈 強(qiáng)，徐鳳軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

高炮作為一種連發(fā)射擊武器，影響彈丸起始擾動(dòng)的最突出因素是炮口處的射擊振動(dòng)，該振動(dòng)響應(yīng)主要取決于自動(dòng)機(jī)的射擊載荷激勵(lì)和炮架、車體的固有振動(dòng)特性。高炮身管一般較長(zhǎng)，屬于細(xì)長(zhǎng)桿件，且受力狀態(tài)接近于懸臂梁，因而將其進(jìn)行柔性處理更能反映其動(dòng)力學(xué)特性。由于發(fā)射過(guò)程中火炮各部分的振動(dòng)響應(yīng)相互耦合，脫離全炮系統(tǒng)而研究柔性身管與彈丸作用對(duì)射擊精度的影響是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，筆者針對(duì)雙管高炮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全炮建模，考慮柔性身管與剛性彈丸之間的相互作用，來(lái)進(jìn)行高炮連續(xù)射擊的動(dòng)力響應(yīng)分析。同時(shí)，基于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，將上述的高炮剛?cè)狁詈习l(fā)射仿真全過(guò)程進(jìn)行了菜單和對(duì)話框的定制，在一定程度上對(duì)全炮虛擬樣機(jī)進(jìn)行了封裝，實(shí)現(xiàn)了交互式的全炮仿真，為火炮產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 全炮虛擬樣機(jī)模型的建立

以自行雙管高炮為例，該炮有兩個(gè)獨(dú)立浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)，左、右身管發(fā)射時(shí)間間隔約為50 ms，底盤為越野汽車，射擊時(shí)由液壓駐鋤提供支撐。射擊時(shí)，自動(dòng)機(jī)進(jìn)行輸彈、關(guān)閂、閉鎖、擊發(fā)動(dòng)作，火藥燃燒推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)；當(dāng)彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔后，膛內(nèi)氣體進(jìn)入導(dǎo)氣室，作用于活塞，帶動(dòng)炮閂組件后坐壓縮輸彈簧，并撞擊炮閂緩沖器緩沖，同時(shí)浮動(dòng)部分由液壓阻力和浮動(dòng)簧消耗或存儲(chǔ)能量；此后，自動(dòng)機(jī)順序完成其他發(fā)射動(dòng)作。

1.1 全炮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

由于火炮發(fā)射時(shí)的運(yùn)動(dòng)和受力十分復(fù)雜，在建立動(dòng)力學(xué)分析模型時(shí)需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1) 將底盤劃分為3個(gè)部分：如車頭，后車箱體及車體部分。其中，車體部分包括車架、懸掛部分、輪胎和液壓缸等。

2) 射擊時(shí)整車由液壓駐鋤支撐，因此將懸掛部分和車輪簡(jiǎn)化為剛性連接，液壓駐鋤缸體也與車體剛性結(jié)合，液壓缸與液壓支撐軸之間用線性彈簧阻尼器和移動(dòng)副來(lái)模擬駐鋤的工作。

3) 液壓駐鋤軸與支撐板之間通過(guò)球形副連接，同時(shí)支撐板與地面之間通過(guò)六自由度的軸套力(Bushing)柔性連接。

4) 高低機(jī)和方向機(jī)利用旋轉(zhuǎn)副和一定剛度的扭簧來(lái)模擬，扭簧剛度和阻尼需通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定。

5) 將自動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為炮箱與炮閂的二自由度系統(tǒng)，同時(shí)添加炮閂座與炮箱之間的摩擦而忽略其他摩擦力。

6) 忽略彈丸旋轉(zhuǎn)，在剛性彈丸與柔性身管之間添加接觸，柔性身管與炮箱前箱體配合面之間添加接觸，彈丸底部施加彈底作用力，用以模擬彈丸發(fā)射過(guò)程中整個(gè)彈丸(彈丸定心部)與身管之間作用和身管與炮箱的接觸作用。

在對(duì)模型進(jìn)行大量必要簡(jiǎn)化和添加等效約束副[1]后，就可以建立該火炮的多體剛?cè)釀?dòng)力學(xué)模型。仿真前，利用ADAMS對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，共有52個(gè)自由度，并無(wú)多余約束。

全炮的拓?fù)潢P(guān)系如圖1，全炮幾何模型如圖2。

1.2 柔性身管模型

采用三維建模軟件UG對(duì)左身管進(jìn)行實(shí)體建模并必要的簡(jiǎn)化后,利用有限元分析軟件ANSYS在身管前后端面中心創(chuàng)建剛?cè)徇B接標(biāo)記點(diǎn)，并建立有限元模型。標(biāo)記點(diǎn)創(chuàng)建完畢后,身管前端標(biāo)記點(diǎn)和剛性區(qū)域如圖3所示。

在ADAMS 模型中通過(guò)新建的標(biāo)記點(diǎn)建立身管與炮口制退器、炮箱前箱體的剛?cè)徇B接。身管與炮箱配合的接觸面間添加接觸，彈丸與柔性身管間也添加接觸[2]。利用ADAMS的默認(rèn)選項(xiàng)將柔性體的1～6階剛性模態(tài)失效，同時(shí)使部分高頻率的模態(tài)進(jìn)行失效，比較各模態(tài)的振型,抑制振動(dòng)比較劇烈而與實(shí)際相差較大的扭轉(zhuǎn)和壓縮模態(tài)，確定用于計(jì)算的模態(tài)如表1所示。

表1 被激活的所有模態(tài)階數(shù)與頻率

2 全炮虛擬樣機(jī)關(guān)鍵載荷的施加

由內(nèi)彈道計(jì)算、自動(dòng)機(jī)循環(huán)分析和浮動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，可計(jì)算得到炮箱、炮閂和彈丸的受力。這些部件是全炮發(fā)射過(guò)程的主要受力物體，他們的受力是全炮發(fā)射響應(yīng)的主要激勵(lì)[3]。這些力有彈丸軸向受力、炮閂部分受力(包括導(dǎo)氣室壓力、輸彈簧力、炮閂緩沖器作用力、氣室活塞復(fù)位簧作用力及與炮箱導(dǎo)軌的摩擦力等)、炮箱部分受力(包括炮膛合力、浮動(dòng)簧力、浮動(dòng)機(jī)液壓阻力、復(fù)進(jìn)緩沖簧力及與搖架導(dǎo)軌的摩擦力等)。

氣體作用力可利用內(nèi)彈道計(jì)算的p-t曲線，根據(jù)各力的理論計(jì)算公式求出，并將數(shù)值數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行插值擬合，再編寫時(shí)間控制函數(shù)進(jìn)行施加。下面以發(fā)射前3發(fā)彈丸為例說(shuō)明幾個(gè)關(guān)鍵載荷在ADAMS中的施加過(guò)程。

2.1 浮動(dòng)機(jī)液壓阻力

設(shè)A為流液孔面積，復(fù)進(jìn)和后坐過(guò)程中A值是不同的。在后坐過(guò)程中，單向閥是打開(kāi)的，流液口總面積為可調(diào)面積、恒定面積及單向閥孔面積之和；在復(fù)進(jìn)過(guò)程中，單向閥被關(guān)閉，流液口總面積為可調(diào)面積和恒定面積之和。

浮動(dòng)機(jī)液壓阻力可表示為：

(1)

式中：A0為活塞作用面積；A為流液孔面積；ρ為液體密度；K1為液壓阻力系數(shù)；v為后坐部分速度。

在ADAMS中，將后坐部分速度測(cè)量值V通過(guò)SENVAL()函數(shù)傳遞到液壓阻力控制方程中。例如左炮的液壓阻力控制函數(shù)為：

if(SENVAL(V)-0:-2477.2*SENVAL(V)**2,-2 477.2*SENVAL(V)**2,35 100.597*SENVAL(V)**2)

其中，數(shù)值2 477.2和35 100.597分別為后坐和復(fù)進(jìn)時(shí)由式(1)計(jì)算得到的系數(shù)。

2.2 導(dǎo)氣室壓力

導(dǎo)氣式壓力采用布拉經(jīng)驗(yàn)公式：

Fq=Shpdexp[-(t-tq)/b]{1-exp[-a(t-tq)/b]}

(2)

式中:pd為彈丸通過(guò)導(dǎo)氣孔瞬間膛內(nèi)火藥氣體壓力；Sh為導(dǎo)氣活塞面積；b為時(shí)間參數(shù)，取決于膛內(nèi)壓力變化規(guī)律的函數(shù)；a為結(jié)構(gòu)參數(shù)，取決于導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的系數(shù)；tq為彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)的時(shí)間。

在ADAMS中，1個(gè)身管單個(gè)導(dǎo)氣室內(nèi)火藥氣體對(duì)活塞作用的控制函數(shù)為：

if(time-(t_q):0,0,if(time-(T):252360*(exp(-400*(time-(t_q)))-exp(-400*(1+if(time-(t_ks):0.743,0.743,2.42))*(time-(t_q)))),0, ))

其中，t_q為彈丸過(guò)導(dǎo)氣孔的時(shí)間；T為該炮的射擊循環(huán)周期時(shí)間；t_ks為開(kāi)鎖時(shí)間；數(shù)值0.743、2.42分別為開(kāi)鎖前后計(jì)算得的導(dǎo)氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)a的值。

以上載荷控制函數(shù)中的T、t_q和t_ks是變量，可以通過(guò)定制的用戶界面進(jìn)行修改，其他的控制函數(shù)可以類似把關(guān)鍵參數(shù)作為變量處理。

3 交互式仿真控制的實(shí)現(xiàn)

為了提高全炮動(dòng)力學(xué)仿真的效率與質(zhì)量，基于ADAMS系統(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，定制了整個(gè)仿真的操作對(duì)話框平臺(tái),實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)模型參數(shù)化、腳本仿真界面化和后處理圖形查看定向化等功能。

主菜單分隔為3個(gè)部分,介紹如下：

1)第1部分主要分為Demonstration Information與Pre Setting quan pao，其功能分別實(shí)現(xiàn)全炮仿真幫助的顯示和射速、左右炮發(fā)射耦合時(shí)間、射擊循環(huán)周期的預(yù)先設(shè)定。

2)第2部分功能實(shí)現(xiàn)：通過(guò)Bodies Parameter可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車部分、上架、搖架、浮動(dòng)機(jī)、自動(dòng)機(jī)各部分進(jìn)行物理特性參數(shù)(如質(zhì)量、質(zhì)心和主慣性矩)的重新修改和設(shè)定，還可以通過(guò)Build new菜單選項(xiàng)在原有模型基礎(chǔ)上新建幾何實(shí)體和添加柔性體；Connectors和Motions菜單欄可以調(diào)用漢化了的常用系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)約束副和驅(qū)動(dòng)的添加，另外Forces Parameter 菜單可以對(duì)虛擬樣機(jī)模型中的主要部分(底盤、方向機(jī)、高低機(jī)、自動(dòng)機(jī)和浮動(dòng)機(jī))相關(guān)的Spring力和Bushing力的剛度、阻尼和預(yù)壓力值的修改，這樣可以通過(guò)輸入實(shí)測(cè)的剛度和阻尼進(jìn)行仿真，進(jìn)一步提高精度。同時(shí)，對(duì)于變射頻發(fā)射仿真，通過(guò)修改各主要部件間作用的剛度和阻尼是很容易實(shí)現(xiàn)的，也可以為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方便；

3)第3部分為Simulation Control、Post Processor和Animate results，主要是仿真的參數(shù)控制、后處理的定制和仿真結(jié)果動(dòng)畫的演示，可以實(shí)現(xiàn)身管的剛?cè)崽鎿Q、多工況的自由變換(定制對(duì)話框可以實(shí)現(xiàn)方向角和高低角的任意角度值控制)和左右炮射彈數(shù)的腳本仿真控制[4]。

修改約束剛度、阻尼和預(yù)載壓力的關(guān)鍵代碼，以修改bushing參數(shù)為例說(shuō)明如下：

force modify element_like bushing &

bushing_name=zuo_qian_bushing &

stiffness=$stiffness &damping=$damping & force_preload=$force_preload……

4 多工況仿真算例

4.1 仿真計(jì)算及結(jié)果

以某車載雙管自行高炮作為研究對(duì)象，在規(guī)整路面上方向角0°、45°、90°與射角0°、45°、90°共9種工況下，結(jié)合定制仿真平臺(tái)，采用腳本程序控制單管各10連發(fā)射擊的彈炮剛?cè)狁詈习l(fā)射情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到浮動(dòng)運(yùn)動(dòng)曲線(如圖4)及車體和身管炮口擾動(dòng)曲線(如圖5～圖6)。

4.2 結(jié)果分析

1) 浮動(dòng)穩(wěn)定性分析。在方向和高低角均為0°時(shí)，單管10連發(fā)彈炮剛?cè)狁詈习l(fā)射時(shí)浮動(dòng)曲線特征點(diǎn)值與實(shí)測(cè)值接近，浮動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，符合浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求[5]，如表2所示，說(shuō)明建立的全炮虛擬樣機(jī)模型較真實(shí)。

表2 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)位移特征點(diǎn)對(duì)比 mm

2) 車體穩(wěn)定性分析。由圖5和圖6知，車體水平晃動(dòng)量最大為332.2 μm，即車體水平方向振動(dòng)響應(yīng)較小，且隨高低角變化趨勢(shì)是90°時(shí)最大，45°時(shí)次之，0°時(shí)最小；車體垂直跳動(dòng)量最大為13.6 mm，明顯比水平晃動(dòng)量大，即車體的垂直振動(dòng)響應(yīng)比水平方向振動(dòng)劇烈，但所有振動(dòng)幅值都在高炮的控制范圍內(nèi)。

3) 身管炮口擾動(dòng)分析。不同高低角下，均是身管水平橫向的擾動(dòng)大于垂直方向，分析原因是：一方面由連發(fā)射擊時(shí)誤差累積造成，另一方面自動(dòng)機(jī)部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了一定的橫向扭矩。不同工況下，高低角不同導(dǎo)致浮動(dòng)部分質(zhì)心位置不同，振動(dòng)響應(yīng)和頻率也會(huì)不同，結(jié)果如圖7～圖8和表3所示。

表3 10連發(fā)射擊時(shí)車體與身管擾動(dòng)幅值(方向角0°) mm

5 結(jié)論

將火炮機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)同CAD技術(shù)、FEA(有限元分析)技術(shù)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高炮全炮虛擬樣機(jī)的建立。工程設(shè)計(jì)人員可以對(duì)該高炮虛擬樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)(模擬)和測(cè)試(分析)，更好更全面地了解影響射擊精度的因素，優(yōu)化方案，指導(dǎo)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能。同時(shí)還針對(duì)全炮虛擬樣機(jī)定制出專用于該高炮的剛?cè)峤惶嫒诎l(fā)射仿真的菜單和對(duì)話框，進(jìn)一步封裝了虛擬樣機(jī)，便于將該多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊集成到工廠數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)下，為未來(lái)工廠的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和測(cè)試提供了一定的參考價(jià)值。

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