王相生，蘇執(zhí)陽(yáng)

（海軍裝備部，北京 100841）

某閉合彈帶動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)分析

王相生，蘇執(zhí)陽(yáng)

（海軍裝備部，北京 100841）

閉合彈帶在自動(dòng)機(jī)的射擊過(guò)程中做間歇運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)機(jī)的啟停對(duì)彈帶產(chǎn)生較大的沖擊作用。針對(duì)自動(dòng)機(jī)射擊中閉合彈帶的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立基于復(fù)雜鉸連接的彈帶阻力計(jì)算模型，進(jìn)行彈帶阻力仿真計(jì)算；采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，建立彈帶剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，將彈帶阻力與托彈力作為仿真模型的輸入激勵(lì)導(dǎo)入RecurDyn中；通過(guò)MATLAB和RecurDyn仿真，獲得彈帶動(dòng)力特性數(shù)據(jù)；并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為閉合彈帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)研究全炮動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義。

閉合彈帶；剛?cè)狁詈?；?dòng)力學(xué)仿真

小口徑火炮無(wú)鏈供彈方式可分為彈鼓式和閉合彈帶式兩種。國(guó)內(nèi)對(duì)彈鼓式無(wú)鏈供彈技術(shù)的研究與應(yīng)用較多，而對(duì)閉合彈帶式無(wú)鏈供彈的研究還未突破［1］。閉合彈帶式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)是通過(guò)彈托組成的閉合彈帶將彈丸線性串聯(lián)起來(lái)，閉合彈帶的一端疊放在有驅(qū)動(dòng)裝置的彈箱中，另一端和自動(dòng)機(jī)結(jié)合，從而完成供彈系統(tǒng)與自動(dòng)機(jī)的匹配及其自動(dòng)供彈。由于閉合彈帶設(shè)計(jì)的靈活性，在方式上可以組成單路、雙路供彈，在應(yīng)用上可以做成艦載、車(chē)載、機(jī)載火炮的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)，因此較彈鼓式無(wú)鏈供彈應(yīng)用靈活。筆者對(duì)某閉合彈帶的運(yùn)動(dòng)位移、速度等動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)研究。

1 動(dòng)力學(xué)模型建立

1.1 模型中的基本假設(shè)

1）炮彈為剛體，內(nèi)力的作用線與炮彈和彈托質(zhì)心的連線相重合。

2）彈帶水平放置在輸彈導(dǎo)引內(nèi)，彈帶只能沿水平方向運(yùn)動(dòng)。

3）彈托變形和連接間隙統(tǒng)一簡(jiǎn)化成線性彈簧力。

4）有結(jié)構(gòu)阻尼及撞擊引起的能量損失。

1.2 彈帶運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

自動(dòng)機(jī)射擊時(shí)，彈帶的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，具有以下特點(diǎn)：

1）射擊時(shí)，自動(dòng)機(jī)必須完成后坐和復(fù)進(jìn)兩個(gè)過(guò)程，兩發(fā)炮彈連續(xù)射擊之間存在一定的時(shí)間間隔，所以撥彈輪的運(yùn)動(dòng)是間歇的。

2）彈帶各彈托間存在間隙，當(dāng)彈托之間的間隙消失后才傳遞拉力和運(yùn)動(dòng)，在傳遞拉力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生撞擊。

3）彈帶傳遞給炮彈的作用力通常與炮彈質(zhì)心的連線不重合，因此，當(dāng)彈帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，各發(fā)炮彈可能會(huì)繞其質(zhì)心偏轉(zhuǎn)，使各炮彈之間、炮彈與導(dǎo)引壁之間產(chǎn)生撞擊，消耗能量。

4）撥彈機(jī)構(gòu)一次拉動(dòng)彈帶完畢停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈帶仍繼續(xù)慣性運(yùn)動(dòng)，炮彈之間產(chǎn)生撞擊，消耗部分能量。

1.3 彈帶動(dòng)力學(xué)模型

如圖1所示，閉合彈帶由多個(gè)彈托組成，閉合彈帶在撥彈輪的作用下沿著輸彈導(dǎo)引運(yùn)轉(zhuǎn)。單次射擊，自動(dòng)機(jī)帶動(dòng)撥彈輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，在撥彈輪啟動(dòng)時(shí)，閉合彈帶承受自動(dòng)機(jī)施加的巨大驅(qū)動(dòng)力，閉合彈帶開(kāi)始啟動(dòng)，各彈托之間相互拉伸；撥彈到位后，撥彈輪停止，各彈托之間又受到慣性力作用而造成擠壓。

閉合彈帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，受到的影響因素較多，為接近實(shí)際彈帶的受力情況，建立基于復(fù)雜鉸連接的多剛體模型如圖2所示。由于加工裝配造成彈托之間有連接間隙，在建立彈帶動(dòng)力學(xué)模型中，為便于分析，將各個(gè)彈托之間假定為無(wú)間隙連接，彈托變形和連接間隙統(tǒng)一簡(jiǎn)化成線性彈簧力，該彈簧力從彈托運(yùn)動(dòng)開(kāi)始就參與作用［2-3］。

設(shè)彈帶系統(tǒng)由n＋1個(gè)炮彈和彈托組成。彈托質(zhì)量附加在炮彈上，依次用m0，m1，…，mn表示。撥彈輪的質(zhì)量為m0，其速度為v，彈托的彈性用彈簧剛度k1，k2，…，kn表示，以便考慮彈托的彈性。結(jié)構(gòu)阻尼和撞擊的能量損失用阻尼器代表，其等效阻尼系數(shù)用c1，c2，…，cn來(lái)表示。取彈托間隙為一半時(shí)炮彈質(zhì)心的位置為坐標(biāo)零點(diǎn)，用廣義坐標(biāo)q0，q1，…，qn表示質(zhì)量m0，m1，…，mn的水平位移。m0的運(yùn)動(dòng)是已知的。取第i個(gè)炮彈為隔離體，分析水平受力情況，如圖3所示。

對(duì)于質(zhì)量mi可寫(xiě)出水平運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：mi為炮彈和彈托的等效質(zhì)量；f為彈帶與導(dǎo)引間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

上述方程可適用于除m0外的各個(gè)質(zhì)量mi，可把上述方程組寫(xiě)成矩陣形式：或簡(jiǎn)寫(xiě)成

式中：M為質(zhì)量矩陣，為對(duì)角陣，在該模型中各剛體質(zhì)量相同，對(duì)角元素mi＝m；¨q為廣義加速度陣列；S為關(guān)聯(lián)矩陣；X為內(nèi)力陣列，由鉸中彈性力ki（qi-1-qi）和阻尼力ci（.qi-1-.qi）組成的陣列，在模型中ki＝k，ci＝c。

2 RecurDyn仿真模型建立

運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，建立閉和彈帶裝置剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，它采用相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題［4］。

2.1 模型總體結(jié)構(gòu)及約束

為了分析方便，取閉合彈帶裝置的一段進(jìn)行分析，其三維模型如圖4所示。模型由彈托、炮彈和輸彈導(dǎo)引三部分構(gòu)成。將此三維模型導(dǎo)入Recur-Dyn多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，然后將彈托進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑诜抡娣治鲋凶鳛槿嵝泽w處理，從而建立閉合彈帶剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型。根據(jù)閉合彈帶裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置彈托與輸彈導(dǎo)引、炮彈的剛?cè)崦娼佑|，彈托間的旋轉(zhuǎn)約束和彈托沿輸彈導(dǎo)引的平移約束。

2.2 仿真輸入

仿真輸入由自動(dòng)機(jī)拖動(dòng)彈帶的動(dòng)力學(xué)特性和彈帶阻力特性兩部分組成。其中自動(dòng)機(jī)拖動(dòng)5發(fā)炮彈時(shí)的彈帶所承受的主動(dòng)力由自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)微分方程及氣室壓力方程計(jì)算獲得，如圖5所示；根據(jù)建立的彈帶動(dòng)力學(xué)模型，采用仿真計(jì)算軟件MATLAB，計(jì)算自動(dòng)機(jī)射擊時(shí)5發(fā)炮彈的彈帶阻力如圖6所示。

把圖5和圖6所示曲線在RecurDyn中施加到彈帶剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕献鳛檩d荷輸入進(jìn)行仿真分析。

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

3.1 仿真結(jié)果

通過(guò)MATLAB和RecurDyn仿真，計(jì)算獲得了5發(fā)炮彈質(zhì)心的位移q、速度.q動(dòng)力特性，如圖7和圖8所示。

從圖7位移-時(shí)間曲線和圖8速度-時(shí)間曲線可以看出，射擊時(shí)，彈帶在達(dá)到最大位移42.5 mm后，會(huì)出現(xiàn)“后退”現(xiàn)象，這是由于彈托間存在彈性變形，彈托進(jìn)行過(guò)柔性化處理。彈帶加速啟動(dòng)時(shí)，第1發(fā)炮彈處所受的沖擊最大，射擊結(jié)束后，由于阻尼器的作用，彈帶在震蕩中趨于穩(wěn)定，但閉合彈帶啟動(dòng)瞬間的最大速度均控制在2m／s內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)分析與對(duì)比

為驗(yàn)證筆者所建立的數(shù)學(xué)模型和彈帶剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的正確性，在某試驗(yàn)靶場(chǎng)進(jìn)行了某閉合彈帶裝置的實(shí)彈射擊試驗(yàn)，試驗(yàn)照片如圖9所示。試驗(yàn)獲得了該閉合彈帶裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖10所示。試驗(yàn)曲線與仿真曲線的對(duì)比如圖11所示。

由圖10可以看出，自動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)閉合彈帶啟動(dòng)瞬間的最大速度控制在2m／s內(nèi)，并且在開(kāi)始時(shí)刻速度增量波動(dòng)較小，這表明自動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間平穩(wěn)，對(duì)閉合彈帶的沖擊較小。

將圖8中的仿真速度曲線與圖10試驗(yàn)速度曲線進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，如圖11所示，可以看出建立的數(shù)學(xué)模型和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型都能夠有效地模擬閉合彈帶的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在圖11中，仿真曲線的速度先于實(shí)測(cè)速度曲線下降，這是因?yàn)樵诜抡孢^(guò)程中，進(jìn)行了一些基本假設(shè)，對(duì)摩擦阻力的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，與實(shí)際試驗(yàn)中的惡劣工作環(huán)境有所差別，因此，仿真曲線與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果有一定差異。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某閉合彈帶裝置的動(dòng)力學(xué)特性分析，建立了基于復(fù)雜鉸連接的彈帶多剛體數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，建立了某閉合彈帶裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。采用MATLAB和RecurDyn仿真，對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，深入研究了彈帶啟停瞬間的受力和運(yùn)動(dòng)特性，并與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，為研究閉合彈帶式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性打下了基礎(chǔ)。

（References）

［1］楊海川，張建峰.一種新式的閉合彈帶機(jī)構(gòu)［J］.兵工自動(dòng)化，2011，（9）：16-17.YANG Hai-chuan，ZHANG Jian-feng.A new closedshell belt mechanism［J］.Ordnance Industry Automation，2011，（9）：16-17.（in Chinese）

［2］李國(guó)豐.彈帶阻力的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法［J］.教練機(jī)，2011，（2）：3-5.LI Guo-feng.A simplified calculation method for ammunition belt resistance［J］.Trainer，2011，（2）：3-5.（in Chinese）

［3］韓魁英，王夢(mèng)林，朱素君.火炮自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988.HAN Kui-ying，WANG Meng-lin，ZHU Su-jun.Design of automatic gun［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1988.（in Chinese）

［4］鄭建興，張相炎.基于RecurDyn的同步帶彈箱動(dòng)態(tài)特性仿真研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010，（4）：75-78.ZHENG Jian-xing，ZHANG Xiang-yan.Dynamic characteristic research of timing belt ammunition box based on RecurDyn［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2010，（4）：75-78.（in Chinese）

Dynamic Simulation and Test Analysis of One Closed Shell Belt Mechanism

WANG Xiang-sheng，SU Zhi-yang
（Naval Equipment Department，Beijing 100841，China）

Intermittent motion of the closed shell belt was produced in artillery firing.Start-stop of automatic gun has brought great impact on the closed shell belt.The calculating model of belt drag was established by analyzing the movement characteristics of closed shell belt in artillery firing.The belt dray was calculated.Rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was established in the Recurdyn software of multiple-rigid-body system.The data of the belt dray enter the rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was and the dynamic characteristics of closed shell belt were obtained through co-simulation of Recurdyn and Matlab.The simulation results were effective by compared with experimental date.the results provided scientific basis for the closed shell belt optimize design and importance purport for study on the dynamic characteristics of automatic gun.

closed shell belt；rigid-flexible coupling；dynamics simulation

TJ762

A

1673-6524（2014）01-0075-04

2013-09-10；

2013-11-10

王相生（1974-），男，碩士研究生，主要從事艦炮總體技術(shù)研究。E-mail：609984737＠qq.com