黃龍，李涌

（海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，鄭州450052）

基于ABAQUS的某火箭炮耳軸優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃龍，李涌

（海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，鄭州450052）

針對(duì)提高火箭炮的射擊精度，以減小起始擾動(dòng)為目標(biāo)函數(shù)，在ABAQUS中建立火箭炮的發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型；在此模型基礎(chǔ)上提取耳軸長(zhǎng)度參量繼續(xù)建立了全炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)化仿真分析插件，經(jīng)過仿真計(jì)算得出不同耳軸長(zhǎng)度情況下火箭炮的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析其對(duì)射擊精度的影響，優(yōu)化耳軸長(zhǎng)度；所得結(jié)果對(duì)火箭炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

火箭炮；ABAQUS；耳軸；優(yōu)化設(shè)計(jì)；參數(shù)化

某火箭炮發(fā)射系統(tǒng)裝置主要由定向系統(tǒng)和支撐運(yùn)行系統(tǒng)組成。定向系統(tǒng)主要包括定向器、掛箱和火箭彈等，定向器用來儲(chǔ)運(yùn)并發(fā)射火箭彈，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力和燃?xì)饬髯饔孟禄鸺龔椡ㄟ^定心部與定向器接觸沿著定向器的螺旋槽運(yùn)動(dòng)發(fā)射出。定向器全部安裝在掛箱上，左右掛箱連接在一起并可以繞耳軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高低俯仰運(yùn)動(dòng)，耳軸和支撐系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和基座均通過軸承連接起來，在執(zhí)行電機(jī)的作用下可實(shí)現(xiàn)高低和方位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［1，2］。

耳軸作為發(fā)射箱和支撐體的連接部分，是振動(dòng)響應(yīng)的直接受載體，發(fā)射過程中對(duì)火箭炮起始擾動(dòng)具有重要影響，而火箭炮的起始擾動(dòng)直接決定著火箭炮的射擊精度和散布情況，故為提高射擊精度，優(yōu)化設(shè)計(jì)火箭炮的耳軸長(zhǎng)度是很有必要的［3］。因此，本文通過建立火箭炮的三維實(shí)體模型，并將火箭炮模型導(dǎo)入ABAQUS中建立發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，并提取需要分析的耳軸長(zhǎng)度參數(shù)在動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)化建模，通過對(duì)比分析不同耳軸長(zhǎng)度的全炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)，確定具有較小起始擾動(dòng)的火箭炮的耳軸長(zhǎng)度參數(shù)。

1 火箭炮有限元參數(shù)化建模

所謂參數(shù)化建模，是指輸入某些參數(shù)后，計(jì)算機(jī)首先讀出有限元模型數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換和修改，再自動(dòng)生成有限元模型，從而避免復(fù)雜的有限元建模過程［5］。

1.1 模型簡(jiǎn)介

在火箭炮發(fā)射過程中，耳軸作為連接部分承受著振動(dòng)載荷，耳軸的長(zhǎng)度與全炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)，故研究不同耳軸長(zhǎng)度對(duì)火箭炮起始擾動(dòng)的影響對(duì)于優(yōu)化火箭炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高射擊精度具有非常重要的意義。用X表示耳軸長(zhǎng)度，如圖1所示耳軸長(zhǎng)度表示為

B0為回轉(zhuǎn)體的直徑；A0為耳軸與起落架相接狀態(tài)下所需的長(zhǎng)度；L表示起落架與回轉(zhuǎn)體之間的間隙。

A0和B0為定值。L為變量，它所取的最小值必須保證掛箱整體與回轉(zhuǎn)體不發(fā)生干涉，而最大值要求耳軸在承受起落部分的重力時(shí)滿足可靠性要求。

圖1 火箭炮發(fā)射裝置示意圖

1.2 基本假設(shè)

由于本文主要模擬火箭炮發(fā)射過程中耳軸長(zhǎng)度變化對(duì)全炮的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，回轉(zhuǎn)體、基座、支撐系統(tǒng)和起落部分都是相對(duì)鎖死的，沒有調(diào)炮行為，故而可以在保證可靠的精度的前提下，舍去復(fù)雜的傳動(dòng)部件及相關(guān)的接連零件，保留完整的主體部件，認(rèn)為回轉(zhuǎn)體與基座是固連的。發(fā)射過程中，彈管間隙和發(fā)射角度都取固定值。

1.3 參數(shù)化建模過程

真正將參數(shù)化的方法應(yīng)用到實(shí)際的建模仿真分析時(shí)往往按照以下步驟進(jìn)行：分析模型基本結(jié)構(gòu)，建立各個(gè)子機(jī)構(gòu)間的相互約束關(guān)系，并確定需要進(jìn)行參數(shù)化的參量；編寫建模程序，通過程序?qū)⒛Ｐ偷母鱾€(gè)部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生成；編制參數(shù)化輸入界面，并將界面和之前編寫的建模程序級(jí)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)最終的參數(shù)化建模目的。編寫建模程序是最關(guān)鍵的，需編寫構(gòu)建模型的每個(gè)操作步程序，本文采用的方法為從ABAQUS動(dòng)力學(xué)模型中提取rpy文件，建模過程的每一步操作都在該文件中記錄著，在rpy文件的基礎(chǔ)上做參數(shù)設(shè)定和相關(guān)程序步驟的修改即可實(shí)現(xiàn)［5］。本文所建立的火箭炮參數(shù)化模型如圖2所示。

2 計(jì)算結(jié)果及其分析

多管火箭炮在發(fā)射過程中，基于各種激勵(lì)作用發(fā)射系統(tǒng)的各個(gè)部分都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，然而，定向器是與火箭彈直接接觸并對(duì)其產(chǎn)生約束的直接部件，發(fā)射裝置的其他部分也是經(jīng)由定向器對(duì)彈體產(chǎn)生作用，并且火箭彈發(fā)射出管產(chǎn)生的起始擾動(dòng)也是通過定向器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況表現(xiàn)出來，因此對(duì)火箭彈起始擾動(dòng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以建立全炮動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析和實(shí)現(xiàn)［4］。

圖2 火箭炮的參數(shù)化模型

結(jié)合某火箭炮的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，用L表示耳軸長(zhǎng)度變化的一個(gè)參量，L分別取值19、39、59、79（mm）時(shí)的火箭炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)做仿真計(jì)算，每次仿真過程耳軸長(zhǎng)度參數(shù)L的修改可以直接在發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)化界面中修改并提交運(yùn)算。仿真過程中彈管間隙取0.35、發(fā)射高低方向角度取50°，采用的發(fā)射方式為兩組發(fā)射，經(jīng)仿真計(jì)算得到不同耳軸長(zhǎng)度的結(jié)果曲線，其仿真數(shù)據(jù)曲線如圖3～圖20所示。

1）火箭炮耳軸長(zhǎng)度參量L為19 mm時(shí)定向器束的振動(dòng)曲線（圖3～圖6）

圖3 定向器束方位角位移

圖4 定向器束高低角位移

圖5 定向器束方位線速度

圖6 定向器束高低線速度

2）火箭炮耳軸長(zhǎng)度參量L為39 mm時(shí)定向器束的振動(dòng)曲線（圖7～圖10）

圖7 定向器束方位角位移

圖8 定向器束高低角位移

圖9 定向器束方位線速度

圖10 定向器束高低線速度

3）火箭炮耳軸長(zhǎng)度參量L為59 mm時(shí)定向器束的振動(dòng)曲線（圖11～圖14）

圖11 定向器束方位角位移

圖12 定向器束高低角位移

圖13 定向器束方位線速度

圖14 定向器束高低線速度

4）火箭炮耳軸長(zhǎng)度參量L為79 mm時(shí)定向器束的振動(dòng)曲線（圖15～圖18）

圖15 定向器束方位角位移

圖16 定向器束高低角位移

圖17 定向器束方位線速度

圖18 定向器束高低線速度

5）不同耳軸長(zhǎng)度參量L情況下方位和高低角速度的對(duì)比結(jié)果曲線（圖19～圖20）

圖19 不同耳軸長(zhǎng)度的方位角速度

圖20 不同耳軸長(zhǎng)度的高低角速度

仿真過程中，固定彈管間隙和俯仰角度等因素，設(shè)置發(fā)射時(shí)間間隔為0.16 s（仿真總時(shí)間為0.26 s）。根據(jù)上圖計(jì)算后的仿真曲線圖和數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，除L為79 mm情況下定向管束角速度、角位移的振動(dòng)幅值較大外，其余各工況的數(shù)據(jù)結(jié)果相差較小。總體趨勢(shì)上看，大部分情況下，針對(duì)于不同組次不同發(fā)射位置時(shí)，方位的起始擾動(dòng)值要比高低的擾動(dòng)值要大。表1列舉出不同耳軸長(zhǎng)度情況下、每組彈各個(gè)發(fā)射位置的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

表1 不同耳軸長(zhǎng)度時(shí)定向管束和火箭彈的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)

對(duì)于一組彈（n發(fā)），設(shè).φ10和.φ20為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，則其中間偏差為［6］

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高火箭炮的射擊密集度，本文從引起火箭炮起始擾動(dòng)的因素著手。通過對(duì)火箭炮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)耳軸參量進(jìn)行參數(shù)化仿真分析，得出不同耳軸長(zhǎng)度下的全炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)比分析得出了火箭炮耳軸長(zhǎng)度的較好解，對(duì)于整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。

［1］毛保全.車載武器發(fā)射動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［2］楊勇.某多管火箭發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化研究［D］.南京:南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［3］趙崗，馬大為.基于虛擬樣機(jī)的多管火箭炮起始擾動(dòng)仿真系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（6）:1300-1303.

［4］徐振欽，馬大為.基于碰撞接觸的彈管多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（5）:966-967.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］姚昌仁，唐國(guó)梁.火箭導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1996.

（責(zé)任編輯周江川）

Rocket Trunnion Optimization Design Based on ABAQUS

HUANG Long，LI Yong
（Military Reprehensive Office of Navy Stationed in Zhengzhou Region，Zhengzhou 450052，China）

Aiming at improving the firing accuracy of rocket launcher to reduce initial disturbance as objective function，the rocket launch dynamics model was established in ABAQUS.Based on this model，we extracted the ear axis length parameter to set up the whole gun launch dynamics of parametric simulation analysis plug-in，and dynamic response curves of different ear axis length of rocket were obtained after the simulated calculation，and we analyzed the influence of the plug-in on firing accuracy by the the data processing of the simulation results and optimized the ear axis length.The results have a guiding role on the rocket structure design.

rocket；ABAQUS；ear shaft；optimization design；parameter

黃龍，李涌.基于ABAQUS的某火箭炮耳軸優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015（11）：29-33.

format：HUANG Long，LI Yong.Rocket Trunnion Optimization Design Based on ABAQUS［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：29-33.

TJ713

A

1006-0707（2015）11-0029-05

10.11809/scbgxb2015.11.009

2015-03-22

黃龍（1988—），男，助理工程師，主要從事艦炮及導(dǎo)彈發(fā)射裝置研究及監(jiān)造驗(yàn)收研究；李涌（1978—），男，工程師，主要從事艦炮武器系統(tǒng)研究及監(jiān)造驗(yàn)收研究。