某低后坐自动炮动力学特性与优化研究.pdf

第 卷 第 期 年 月火炮发射与控制学报 :./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:韩如锋()男 硕士 助理研究员 研究方向为小口径自动炮及其供弹技术某低后坐自动炮动力学特性与优化研究韩如锋 袁永强 唐蓬博 刘野 王永存(西北机电工程研究所 陕西 咸阳)摘 要:为了进一步减小火炮后坐力 满足大威力火力系统向轻量化发展的需要 以基于膨胀波原理发射埋头弹药的低后坐自动炮为研究对象 建立了发射过程的内弹道模型 借助数值仿真方法 获得了膛内压力和弹丸初速数值解 结果表明相比传统闭膛式火炮发射 低后坐火炮在保证弹丸初速基本不变的同时炮膛合力冲量减小了 采用虚拟样机技术 建立了虚拟样机模型 获得了动力学特性曲线 结果表明最大后坐力减小高达 通过射击试验验证了仿真结果的可信性 在此基础上 以惯性炮闩最大阻力值最小为目标建立了优化模型 应用 软件平台集成 软件方式 采用多岛遗传算法对缓冲簧的厚度、压平时变形量、片数、碟簧外径等参数进行了匹配优化 对所得到的最优解进行了仿真分析 结果表明 在不影响系统性能和结构安装尺寸的前提下使得惯性炮闩最大阻力值减小 为惯性炮闩轻量化设计提供依据关键词:膨胀波 埋头弹火炮 内弹道 虚拟样机 动力学 优化设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()():().:火炮发射与控制学报第 卷 某低后坐自动炮发射底部可排气式新型埋头弹药采用惯性炮闩精确控制膛内开闩泄压时机实现膨胀波原理发射 埋头弹的弹丸镶嵌在圆柱形药筒内大幅缩短了整体长度使得炮塔结构能够更加紧凑有效提高了现役战车的综合性能 但同时埋头弹火炮存在高膛压下身管烧蚀、闭气与抽壳困难等情况 膨胀波火炮通过精确控制炮闩在内弹道时期的打开时间使膨胀波在炮口处才追上弹丸的尾部实现了在不影响火炮初速和杀伤威力的前提下大幅度减小火炮后坐力与后坐冲量的效果 但由于存在火药燃气的后喷在结构上不便于采用传统的后方装填方式埋头弹火炮与膨胀波火炮存在天然结合的特点:一是埋头弹火炮具有的摆膛式装填方式是实现膨胀波火炮工程化应用理想选择二是膨胀波火炮开闩泄压降低了平均膛压有利于解决埋头弹火炮身管寿命、密封与抽壳等难题三是在保证威力基本不变的前提下大幅减小了后坐力满足未来轻型装甲车辆的适配性要求某低后坐自动炮将膨胀波发射机理与埋头弹火炮融合应用实现了系统的集成创新其结合了埋头弹火炮与膨胀波火炮各自的性能同时又有别于二者其发射规律的影响因素也各不相同 笔者通过建立发射过程的内弹道集总参数模型和动力学模型分析其动力学特性对该型火炮的总体参数优化与匹配具有一定的指导意义 内弹道集总参数模型根据某低后坐自动炮的工作原理考虑膨胀波发射机理与埋头弹火炮融合的工作机制结合经典内弹道模型计及惯性炮闩的运动过程建立了某低后坐自动炮的内弹道集总参数模型:其他 ()()()()其他 其他 ()其他()()()()()()式中:为火药相对已燃厚度 为绝热指数()为火药燃速指数 为炮膛截面积 为火药力 为装药量 为装填密度 为次要功计算系数 为弹丸质量 为已燃相对体积、分别为弹丸的行程和速度、分别为惯性炮闩的行程和速度为惯性炮闩启动压力为惯性炮闩开闩前行程为炮闩缓冲器的力为惯性炮闩质量为惯性炮闩喷口截面积、分别为相对流量、相对温度为火药密度 为气体余容通过数值求解获取了闭膛发射与膨胀波发射两种发射模式下对应的 数值解并结合身管压力传感器进行了试验验证仿真结果与试验结果的对比曲线如图 所示 结果表明两种发射模式下各自对应的 仿真值与试验值均较为吻合通过数值求解获取了闭膛发射与膨胀波发射两种发射模式下对应的 数值解仿真结果曲线如图 所示可以看出两种发射模式下的炮口初第 期韩如锋等:某低后坐自动炮动力学特性与优化研究速基本不变在此基础上对闭膛发射与膨胀波发射对应的炮膛合力与炮膛合力的冲量进行了仿真炮膛合力对比曲线如图 所示仿真结果表明膨胀波发射方式相比闭膛发射方式使得炮膛合力冲量有效减小了.虚拟样机模型.运动模型将整个运动模型简化为两自由度的弹簧 阻尼质量系统整个系统受力模型如图 所示系统为两自由度模型 图中为火药气体在闩体上的作用力为火药气体作用在炮身的炮膛合力为炮闩缓冲器力为全炮后坐阻力为闩体质量为后坐部分质量.模型简化与假设根据某低后坐自动炮的结构特点在不影响系统运动规律的前提下作出以下简化与假设:)除缓冲簧以外的结构件均视为刚体)自动炮的摇架设置为与大地固定且不考虑其受力响应)把各个部分运动关系相互一致的部件逐个进行合并)将火药燃气的作用力视为集中力以集中力的形式施加)摩擦力仅考虑在主要接触环节施加.拓扑结构自动炮后坐运动部分以滑动副方式在摇架上后坐 复进惯性炮闩与自动炮以碟簧相连接以滑动副方式在自动炮滑轨上移动全炮缓冲器与摇架及自动炮以缓冲簧 阻尼形式相连 在缓冲器内部外筒、缸体、螺盖与摇架固连芯轴、轴套、导杆以滑动副形式在缓冲器内滑动轴套与导杆之间以弹簧 阻尼相连轴套与导杆在运动过程中皆与外筒存在面接触在运动过程中芯轴与导杆、芯轴与轴套之间均存在实体接触 拓扑结构如图 所示 其中、分别代表固定副、接触副、移动副和其他连接关系.载荷分析喷口打开之前炮闩和炮身受到的火药气体作用力分别为()()()式中:为次要功系数 为装药量 为弹丸质量 为炮膛横截面积为喷口活塞面积 为膛内平均压力喷口打开之后火药气体作用力使用 进行数值模拟计算闩体和身管的受力大小如图 所示为方向向前的阻力火炮发射与控制学报第 卷整个过程的火药气体对炮身和炮闩的作用力如图 所示 通过矢量力的形式分别施加在炮身和炮闩上炮闩缓冲力 为()式中:为单片碟簧厚度 为碟形弹簧外径 为弹簧总压缩量为缓冲器压平时单片碟形弹簧变形量的计算值 为对合碟簧的个数 为弹簧材料的弹性模量 为弹簧材料的泊松比和 为计算系数炮闩缓冲力的表达形式采用 中单向力方式力值为关于弹簧压缩量即炮闩相对全炮的后坐位移的单变量表达式函数全炮后坐阻力为()后坐()复进()前冲()返回()式中:为弹簧预压力 为弹簧刚度系数 为后坐位移、为液压阻尼结构参数其值与液压阻尼器的结构和液压油的性质有关 为后坐速度 为密封装置摩擦力 为后坐部分与架体之间的摩擦系数为后坐部分质量 为重力加速度液压阻力的表达形式采用 函数库中状态条件判断 函数:()()()()().建立好的虚拟样机模型如图 所示 试验验证采用激光 传感器对后坐位移进行测试现场布置原理如图 所示 其中 激光位移传感器固定在地面台架上其发射的激光垂直正对火炮后坐部分的端面 射击试验场景如图 所示第 期韩如锋等:某低后坐自动炮动力学特性与优化研究将闭膛发射与膨胀波发射两种发射模式下的后坐部分位移 时间仿真值与测试值进行对比如图 所示二者吻合度较高验证了动力学模型的正确性某低后坐自动炮缓冲器的特性使得最大后坐力值出现在最大后坐位移处依据工程算法()带入闭膛发射与膨胀波发射时的最大后坐位移测试数据对应得到最大后坐力 如表 所示膨胀波发射模式使得最大后坐力减小高达 表 闭膛发射与膨胀波发射最大后坐力试验值对比项目闭膛发射试验值膨胀波发射试验值后坐力/.炮闩缓冲力优化模型炮闩缓冲器采用碟簧缓冲具有很广范围的变刚度非线性特性 可通过适当选择碟形弹簧压平时变形量 和厚度 之比得到不同特性曲线也可采用复合不同厚度、不同片数等的组合方式使弹簧特性在很大范围内变化将开闩前定义为第 阶段开闩后定义为第 阶段 第 阶段惯性炮闩在最佳开闩时间点打开因此第 阶段的惯性炮闩缓冲簧支撑刚度在优化前后应保持基本不变以保证相同的最佳开闩时机第 阶段惯性炮闩打开由于结构特征决定了该自动炮后喷气体流场与炮闩所处的位置无关所以可将第 阶段惯性炮闩缓冲簧支撑刚度减小利用较长后坐行程和时间减小开闩阻力 通过惯性炮闩缓冲簧支撑刚度的匹配优化达到减小最大开闩阻力的效果为惯性炮闩轻量化提供参考依据综上建立优化模型:().()式中:为片数 为碟簧外径 为炮闩相对炮尾最大后坐行程借助多岛遗传算法基于多学科优化平台 软件调用 动力学仿真软件计算优化计算流程如图 所示 优化算法求取了炮闩缓冲装置的最优参数如表 所示 优化前后炮身与闩体后坐位移 时间以及炮身、炮闩受力 时间仿真曲线对比如图 所示 结果表明在结构安装尺寸保持不变的前提下全炮后坐位移和阻力基本不变炮闩最大阻力减小约.表 优化前后设计变量和目标函数值项目/优化前.优化后.火炮发射与控制学报第 卷 结束语)通过仿真计算与试验测试数据的对比分析 验证了所建立的发射过程的内弹道模型和动力学模型能够对某低后坐自动炮的特性进行准确预测)通过对某低后坐自动炮发射动力学特性的分析表明在保证弹丸初速基本不变的同时最大后坐力减小高达 验证了该创新集成的火炮能够有效地协调火炮威力与机动性之间的矛盾)通过对惯性炮闩缓冲簧参数进行的优化匹配设计表明在不影响系统性能的前提下炮闩最大阻力减小约.为惯性炮闩轻量化设计提供了参考依据参考文献 王加刚余永刚曹韩学等.埋头弹药发射过程药筒力学特性分析.应用力学学报():.王颖泽.基于膨胀波发射技术的火炮内弹道与发射动力学分析.南京:南京理工大学:.张帆.膨胀波火炮发射原理及其在常规结构枪炮中的应用.南京:南京理工大学:.范光明.膨胀波火炮惯性炮闩运动分析.太原:中北大学.郭张霞范光明刘国志等.膨胀波火炮喷口打开时间影响因素研究.中北大学学报(自然科学版)():.李勇金景峰申亚琳等.转膛自动炮动力学建模和仿真分析.火炮发射与控制学报():.韩如锋张国平李勇等.某微后坐力转膛自动炮动力学分析.火炮发射与控制学报():.周乐.大口径火炮反后坐装置多目标优化设计研究.南京:南京理工大学:.赵振森李永建王克印等.基于虚拟样机的前冲射击平台后坐力优化研究.计算机仿真():.焦晓娟张湝渭彭斌彬.多体系统优化仿真技术.北京:清华大学出版社:.