曹廣群，劉樹華，范林盛，李太陽，方東旭

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

考慮土體和方向角的某火炮0°射角動態(tài)特性分析

曹廣群1，劉樹華1，范林盛1，李太陽1，方東旭2

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原030051；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京102202)

為了研究土壤材料和方向角對輕型榴彈炮發(fā)射動態(tài)特性的影響，通過將榴彈炮放置在兩種不同材料的土壤上進行有限元建模，在不同方向角下進行全炮瞬態(tài)動力學分析，得到了全炮的后坐運動特性、炮口振動特性和前座盤跳高，仿真結(jié)果為方向角和土壤材料對于牽引榴彈炮的動態(tài)特性的影響提供了重要的參考。

牽引榴彈炮；有限元；土體；方向角；瞬態(tài)動力學

火炮是一個復雜的系統(tǒng)，在發(fā)射過程中，瞬態(tài)載荷對結(jié)構(gòu)沖擊大，導致結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)大位移和大變形，以及部件間的摩擦碰撞等非線性行為，這給火炮研制增加了不少困難。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展和提高產(chǎn)品性能的需要，火炮產(chǎn)品的開發(fā)已進入系統(tǒng)仿真設計階段。其中有限元法在仿真分析中具有廣泛的應用，能為產(chǎn)品的設計提供方便。

瞬態(tài)動力學分析，亦稱時間歷程分析，是用于確定承受任意時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學響應的一種方法。對于輕型火炮研究來說，在結(jié)構(gòu)設計階段對全炮的瞬態(tài)響應和動態(tài)特征進行仿真分析，對提高火炮結(jié)構(gòu)的合理性和系統(tǒng)總體的性能有著一定的意義[1]。

1 全炮有限元模型的建立

1.1幾何模型的簡化及網(wǎng)格的劃分

火炮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜，零部件眾多，在對其進行有限元建模過程中需要對幾何模型進行簡化，去除不必要的、對分析結(jié)果影響不大或體積小的零部件，減小有限元模型的規(guī)模，縮短仿真計算的時間。

由于主要研究的是全炮的發(fā)射動力學特性，在模型簡化時可以對原有的結(jié)構(gòu)進行合理的變換和處理，將復雜的幾何特征在不影響結(jié)構(gòu)剛強度的基礎上做適當?shù)暮喕?，具體的簡化處理包括以下幾個方面：將結(jié)構(gòu)復雜的炮閂、炮尾及身管合并為一體；將炮口制退器簡化為圓筒，與身管連接；將制退機的制退筒與節(jié)制桿合并為一體，與炮尾連接；將制退桿與活塞合并為一體，與搖架連接；將復進機的結(jié)構(gòu)簡化為外筒和內(nèi)筒，分別與炮尾、搖架連接；忽略瞄準器具和方向機，高低機只保留高低齒輪、齒??；將耳軸與上架合并為一體，與耳軸連接的軸承簡化為圓環(huán)柱體；將輪胎及連接臂簡化為其質(zhì)心位置的質(zhì)點；將無限的大地簡化為幾個大型的土塊，分別與前支腿和駐鋤作用。

把簡化后的全炮幾何模型保存為X_T格式的文件，并將其導入到ANSYSWorkbench中，以便劃分網(wǎng)格。主要采用切分組合的方法來對某些特殊零部件進行網(wǎng)格劃分，使其能夠利用掃掠或六面體域法來生成六面體網(wǎng)格[2]。

1.2各零部件的連接關系

在Workbench中，各零部件的連接關系主要通過關節(jié)連接(joints)和接觸關系(contacts)來實現(xiàn)。

一些關鍵的連接：炮口制退器和身管之間設置為綁定接觸；身管與搖架襯瓦之間設置為無摩擦接觸；制退機和復進機均是一端與搖架固定，另一端與炮尾固定；搖架與軸承之間設置為綁定接觸；軸承與耳軸之間設置為無摩擦接觸；高低齒輪齒弧之間設置為無摩擦接觸；立軸和上架之間設置為綁定接觸，立軸和下架之間設置為無摩擦接觸；上架和下架之間設置為無摩擦接觸；大架和限位器之間設置為無摩擦接觸；前支腿和下架之間設置為固定連接；前支腿和土壤之間設置為摩擦接觸；駐鋤和土壤之間設置為摩擦接觸[3]。

通過合理的定義各零部件間的連接關系，使得全炮網(wǎng)格模型組裝成一個整體，得到整體的動力學模型。

1.3邊界條件及工況設置

筆者研究的牽引榴彈炮是放置在土壤上進行射擊的，在有限元模型中是取與火炮的前支腿和大架接觸的3個較大的土壤塊來模擬的，所以需要給土壤塊定義其位移邊界條件。在Workbench中通過固定支撐來定義，選取土壤塊的底面和側(cè)面，使土壤邊界固定。對模型施加的載荷邊界條件包括膛壓、制退機力和復進機力等。其中膛壓作用在身管的內(nèi)膛表面。制退機力和復進機力采用雙向力進行簡化。另外，對全炮定義重力加速度，考慮慣性的作用。

該輕型火炮的高低射角范圍為[0°,70°],隨著射角減小，火炮后坐穩(wěn)定性降低，為了考察火炮小射角時的后坐穩(wěn)定性，通過試驗測得了制退機力和復進機力在0°高低角下的數(shù)據(jù)，在0°射角下，具體的4種不同工況如表1所示。

表1 4種不同工況

2 瞬態(tài)動力學仿真結(jié)果分析

2.1后坐運動特性

火炮在后坐運動過程中，其后坐運動特性反映了后坐的運動規(guī)律[4]。仿真得到工況1到工況4的最大后坐位移、速度及相應的時間，如表2所示。

表2 最大后坐位移、速度及相應的時間

從表2中可以看出最大后坐位移均出現(xiàn)在147.9 ms，數(shù)值都在1.2 m左右；其最大后坐速度大約都在11 ms左右，數(shù)值都在15.3 m·s-1左右。各工況下的結(jié)果沒有大的差異，可見方向角和土壤支撐的不同對火炮的后坐特性影響不大。

2.2炮口振動特性

火炮發(fā)射膛內(nèi)時期的炮口振動特性是影響火炮射擊精度的重要指標。坐標系以垂直膛線向上和向左為正，彈丸出炮口的時間為9.76ms。膛內(nèi)時期工況1的炮口垂直膛線豎直方向以及側(cè)向的振動位移和振動速度如圖2、3所示。膛內(nèi)時期各工況下炮口振動位移和速度絕對值的最大值如表3所示。

表3 膛內(nèi)時期各工況下炮口振動位移和速度絕對值的最大值

項目垂直膛線的豎直方向位移絕對值|x|/mm速度絕對值|v|/(mm·s-1)側(cè)方向位移絕對值|x|/μm速度絕對值|v|/(mm·s-1)工況10.778296.564.363.7277工況20.753295.731.751.6475工況30.745294.425.183.7505工況40.753296.462.071.4538

由表3可以得出：

1)在垂直膛線的豎直方向上炮口均是向下振動的，另外結(jié)合圖2可知開始一段時間內(nèi)振動位移增長較緩慢，到了5.5 ms左右振動位移開始迅速增大到最大。

2)膛內(nèi)時期垂直膛線的豎直方向上炮口振動的位移不大，最大位移絕對值在0.75 mm左右，最大速度絕對值在295 mm/s左右。

3)在側(cè)方向上炮口主要是向右振動，而且振動的位移和速度均很小，各工況中側(cè)向最大的位移絕對值只有5.18 μm，最大速度的絕對值只有3.750 5 mm/s。

4)比較工況1和工況2(或工況3和工況4)，發(fā)現(xiàn)方向角不同對垂直膛線豎直方向上的炮口振動影響較小，但在側(cè)方向上可以明顯的看出0°方向角射擊時比22.5°方向角時的炮口振動位移和速度要大1倍多，所以方向角的不同對側(cè)方向的炮口振動影響較大。

5)比較工況1和工況3(或工況2和工況4)，發(fā)現(xiàn)不同的土壤對炮口的振動特性沒有明顯的影響。

6)總體來說，膛內(nèi)時期各工況下在垂直膛線的豎直方向和側(cè)方向上炮口的振動位移均很小，尤其是側(cè)方向上，可以認為該輕型榴彈炮的炮口振動對射擊精度的影響較小。

2.3射擊后坐穩(wěn)定性

火炮的穩(wěn)定性是指火炮在極限射擊條件下不顛覆或跳離地面的跳動量在允許范圍內(nèi)，并能在規(guī)定時間內(nèi)恢復正常射擊位置的能力，其直接體現(xiàn)就是前座盤處的跳高。

火炮射擊時后坐的穩(wěn)定性是火炮設計和試驗分析中需要考慮的重要因素，此牽引榴彈炮工況1的前座盤跳高如圖4所示。 圖4中的最小跳高xmin是指前座盤底部離地最近點的距離，最大跳高xmax是指前座盤底部離地最遠點的距離。

從圖4中可以看出，全炮在開始的一段時間里有一個輕微的跳動，但前座盤并沒有完全跳離地面，之后又回到地面。隨著后坐部分向后運動，全炮的質(zhì)心也向后移動，大約在幾十毫秒以后全炮開始完全跳離地面。

令t1和t2分別為前座盤底部開始離地的時刻和完全離地的時刻，并將各工況下前座盤的最大、最小跳高的最大值、彈丸出炮口時的最大跳高及t1和t2整理在表4中。

表4各工況下前座盤的最大、最小跳高的最大值、彈丸出炮口時的最大跳高及t1和t2

項目最大跳高的最大值/mm最小跳高的最大值/mm彈丸出炮口時的最大跳高/mmt1/mst2/ms工況139.53320.6730.6699967.7189.36工況245.44716.7261.1753053.9377.50工況342.48610.6610.6159055.9070.66工況439.96923.8290.2299647.9767.73

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，彈丸出炮口時(即9.76 ms)，全炮有微小的跳動，其中最大的是工況2，值為1.175 3 mm;最小的是工況4，值為0.229 96 mm?？梢娙诘奶鴦訒椡璧陌l(fā)射有一定的影響。各工況下全炮的最大跳高的最大值差不多，而最小跳高的最大值有點差異，全炮從開始起跳到完全跳離的時間大約是20 ms。前座盤之所以會出現(xiàn)最大跳高和最小跳高是由于火炮發(fā)射時全炮會向后移動和轉(zhuǎn)動并加上架體有一定的柔性，而且方向角也可能不同，所以會導致出現(xiàn)縱向和橫向的偏轉(zhuǎn)。

在以0°方向角射擊時，火炮沒有側(cè)方向的偏轉(zhuǎn)。通過比較工況1和工況3前座盤最大、最小跳高的最大值之差發(fā)現(xiàn)，在混凝土支撐上的縱向偏轉(zhuǎn)更厲害。這是由于支撐的剛性越大全炮向后的移動越小而轉(zhuǎn)動越大。

在以22.5°方向角射擊時，火炮不僅有縱向的偏轉(zhuǎn)還有橫向的偏轉(zhuǎn)。通過比較工況2和工況4前座盤最大、最小跳高的最大值之差發(fā)現(xiàn)，在密實土壤上的偏轉(zhuǎn)更大，而一般在密實土壤上縱向偏轉(zhuǎn)比混凝土上的小。

由此可推斷出：在筆者所采用的簡化條件及接觸邊界設置情況下，土壤支撐的剛性越大，對縱向偏轉(zhuǎn)的影響越大；而剛性越小，對橫向偏轉(zhuǎn)的影響越大?？梢姴煌较蚪呛屯寥缹ι鋼艉笞€(wěn)定都有很大的影響。

3 結(jié)論

考慮了火炮發(fā)射過程中土體和方向角對其動態(tài)特性的影響，利用結(jié)構(gòu)動力學非線性有限元法[5],進行了后坐過程的瞬態(tài)動力學分析，得出了以下結(jié)論：

1)不同方向角時：對后坐運動特性影響不大；對垂直膛線豎直方向的炮口振動特性無明顯影響，但對側(cè)方向的影響很大，而且是方向角越大，側(cè)方向的振動位移和振動速度越?。粚?cè)方向的偏轉(zhuǎn)影響較大。

2)不同土壤支撐時：對后坐運動特性和炮口振動特性影響不大；土壤支撐的剛性越大，對縱向偏轉(zhuǎn)的影響越大；而剛性越小，對橫向偏轉(zhuǎn)的影響越大。

研究表明方向角和土體對于火炮后坐過程的動態(tài)特性都有一定的影響，這將對輕型牽引火炮的設計提供必要的依據(jù)和參考。

References)

[1] 劉達, 顧克秋, 何永. 基于不同土體的牽引火炮動態(tài)應力分析[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2008，32(6):681-685. LIU Da，GU Keqiu，HE Yong. Dynamic stress analysis of towed howitzer placed on different soils[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology：Natural Science,2008,32(6):681-685. (in Chinese)

[2] 許明財. ANSYS Workbench安世亞太中文培訓教程[M].北京：ANSYS-China 北京辦事處,2009:50-55. XU Mingcai. ANSYS Workbench ANSYS-China chinese traning[M]. Beijing: ANSYS-China Office in Beijing,2009:50-55.(in Chinese)

[3] 浦廣益.ANSYS Workbench12基礎教程與實例詳解[M]．北京: 中國水利水電出版社，2010． PU Guangyi.The basis course and example explanation of ANSYS Workbench12[M].Beijing:China Water & Power Press，2010．(in Chinese)

[4] 王虎, 顧克秋. 牽引火炮非線性有限元隱式動力學分析[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2006，30(4):462-466. WANG Hu，GU Keqiu． Implicit dynamics analysis of nonlinear finite element for towed howitzer[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology：Natural Science，2006，30(4):462-466. (in Chinese)

[5] 王凱，樂貴高，于存貴，等. 某艦炮非線性動力學分析[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2010，22(9):2214-2216. WANG Kai，LE Guigao，YU Cungui，et al. Nonlinear dynamics analysis of naval gun[J]．Journal of System Simulation，2010，22(9):2214-2216.(in Chinese)

DynamicCharacteristicAnalysisofaCertainArtillerywith0°FiringAngleConsideringSoilandDirectionAngle

CAO Guangqun1,LIU Shuhua1, FAN Linsheng1, LI Taiyang1,FANG Dongxu2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan030051,Shanxi,China;2.No.208Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing102202,China)

For the purposes of studying the influence of soil material and direction angle on the dyna-mic characteristics of a lightweight howitzer, the howitzer is placed on two different materials of soil to build the howitzer's finite element model. The transient dynamics analysis was conducted of the whole howitzer under different direction angles with the recoil dynamic characteristics, the vibration perfor-mance of the muzzle and the jumping height of fore attic base obtained. The simulation results provide important references for the research on the dynamic characteristics of the light-weight howitzer.

towed howitzer; finite element; soil;direction angle; transient dynamic

TJ33

： A

：1673-6524(2017)03-0012-04

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.003

2016-09-12

曹廣群(1981—)，男，博士，副教授，主要從事火炮自動武器動力學仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。E-mail：caoguangqun98@126.com