蕭　輝,楊國(guó)來,葛建立,于情波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 290014)

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反后坐裝置布局對(duì)炮口振動(dòng)的影響研究

蕭輝,楊國(guó)來,葛建立,于情波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 290014)

摘要:炮口振動(dòng)是影響火炮射擊精度的關(guān)鍵因素之一,它與反后坐裝置布局及載荷傳遞密切相關(guān)。利用Flex-Flex接觸碰撞模型模擬前后襯瓦與身管的相互作用,通過含微小間隙的改進(jìn)接觸算法和計(jì)及運(yùn)動(dòng)間隙的修正的Coulomb摩擦力方程表征揺架襯瓦和身管的接觸碰撞關(guān)系,建立了全炮剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上對(duì)提出的反后坐裝置布局方案進(jìn)行數(shù)值仿真和評(píng)估分析。研究結(jié)果表明,反后坐裝置對(duì)稱布局方案可有效降低炮口振動(dòng)和襯瓦接觸力,有利于提高射擊精度和襯瓦磨損壽命,對(duì)該類火炮總體設(shè)計(jì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞:火炮;后坐裝置;炮口振動(dòng);揺架襯瓦;接觸碰撞

對(duì)于筒型揺架而言,身管是通過安裝在揺架內(nèi)側(cè)的前后襯瓦所提供的支反力完成后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的。高速后坐過程中間隙引起的碰撞會(huì)使身管發(fā)射彈性振動(dòng)而影響炮口響應(yīng)。因此,建立合理的接觸模型,考慮間隙運(yùn)動(dòng)副的身管-揺架襯瓦接觸碰撞,并對(duì)不同反后坐裝置結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行研究分析,對(duì)提高火炮射擊精度有著重要意義。

劉雷[1]通過無質(zhì)量的啞物體來定義柔性身管和剛性搖架的接觸;秦志英等[2]通過揺架與絕對(duì)坐標(biāo)系固定連接的方式討論了身管和襯瓦間隙對(duì)炮口振動(dòng)的影響;鄧偉[3]分析了間隙、接觸參數(shù)對(duì)火炮動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響,通過參數(shù)辨識(shí)獲得了某火炮揺架和襯瓦的接觸剛度和阻尼;謝潤(rùn)等[4]考慮身管和揺架的間隙,基于文獻(xiàn)[3]的辨識(shí)結(jié)果建立了坦克炮身管襯瓦的剛-柔接觸模型,得出接觸模型能更實(shí)際地反映坦克炮射擊過程身管的受力特性。現(xiàn)有研究針對(duì)火炮身管與襯瓦部分含間隙運(yùn)動(dòng)副的柔體-柔體接觸碰撞建模與動(dòng)力學(xué)分析較少,且未見對(duì)反后坐裝置對(duì)稱布局的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算的報(bào)道。對(duì)反后坐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是對(duì)節(jié)制桿、制退筒及制退桿等進(jìn)行幾何尺寸的優(yōu)化[5-7],梁傳建等[8]對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)的3種固定方式、在揺架上方的3種布置方式對(duì)炮口振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。

本文以非線性彈簧阻尼模型為間隙滑移副接觸建模方法,利用接觸彈塑性力學(xué)理論研究了計(jì)及間隙、材料屬性微小間隙的接觸模型,得到了接觸參數(shù);引入計(jì)及運(yùn)動(dòng)間隙的修正的Coulomb摩擦力方程,并以此建立了考慮身管分別與前后襯瓦間柔體-柔體(Flex-Flex)接觸碰撞的全炮多體動(dòng)力學(xué)模型。提出2種改進(jìn)的反后坐裝置對(duì)稱布局方式,用建立的全炮動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析了這3種不同反后坐裝置布局對(duì)某火炮炮口振動(dòng)的影響。

1全炮剛?cè)狁詈辖?/p>

1.1柔性襯瓦和身管接觸碰撞參數(shù)的確定

圖1為某牽引炮搖架和后坐部分示意圖。

圖1　某牽引炮揺架和后坐部分示意圖

如圖1所示,揺架前、后襯瓦與身管接觸時(shí),接觸面積與襯瓦本身尺寸相當(dāng),再考慮接觸間隙、彈性變形等,已不滿足Hertz接觸的非協(xié)調(diào)接觸條件。故采用改進(jìn)的含微小間隙接觸模型來計(jì)算接觸剛度。對(duì)于該類Hertz接觸模型,其接觸區(qū)域正下方的應(yīng)力σz的表達(dá)式為

(1)

式中:p為接觸表面壓力,z為距接觸表面的深度,a為接觸區(qū)半寬度。在小變形接觸條件下,根據(jù)幾何變形關(guān)系、接觸碰撞理論,可以求得微弧段ds上鉛垂向接觸力dFc為

(2)

式中:α,α0分別為接觸前半角和接觸半角;體積彈性模量K為

式中:i=1,2;E1和E2分別為襯瓦和身管的材料彈性模量;μ1,μ2分別為襯瓦和身管的泊松比;d為襯瓦和身管的半徑間隙;δ為法向變形量。

式(2)即為根據(jù)運(yùn)動(dòng)副幾何參數(shù)和變形穿透量得到的接觸載荷與局部變形的關(guān)系。該接觸載荷與局部變形曲線在某瞬時(shí)碰撞處附近的曲線斜率即為非線性接觸剛度k,如下式所示:

(3)

揺架前、后襯瓦與身管接觸碰撞時(shí),摩擦力的計(jì)算引入了考慮運(yùn)動(dòng)間隙的修正的Coulomb摩擦力模型[9],其動(dòng)摩擦系數(shù)不是一個(gè)常數(shù),而是與切向滑動(dòng)速度有關(guān),是切向滑動(dòng)速度的函數(shù)。

1.2全炮動(dòng)力學(xué)建模

基本假設(shè):不考慮射擊過程中彈丸與身管的耦合作用,發(fā)射前處于靜平衡狀態(tài)。

運(yùn)用模態(tài)疊加法分別創(chuàng)建身管、搖架及上架的模態(tài)中性文件來建立柔性體,火炮其余部件均為剛體;分別建立該火炮各部件間及其與大地的合適連接關(guān)系,編制炮膛合力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、制退機(jī)力、平衡機(jī)力的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)加載模型的載荷,從而建立起全炮的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

1.3模型驗(yàn)證

本研究中火炮發(fā)射時(shí)采用的工況:高低射角及方向射角均為0°。將建好的全炮動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示,誤差很小,說明該動(dòng)力學(xué)模型具有較好的可信度。表中,sc,st分別為后坐位移的數(shù)值計(jì)算值和測(cè)試平均值;FRc、FRt分別為最大后坐阻力的數(shù)值計(jì)算值和測(cè)試平均值;θz,c,θz,t分別為炮口高低角位移的數(shù)值計(jì)算值和測(cè)試平均值;Δs,ΔFR,Δθz為相對(duì)誤差。

表1　數(shù)值計(jì)算結(jié)果與樣炮實(shí)測(cè)結(jié)果

2反后坐裝置布局方案設(shè)計(jì)

適當(dāng)?shù)夭季址春笞b置能使復(fù)進(jìn)機(jī)力和制退機(jī)力產(chǎn)生的不對(duì)稱力矩相互抵消。考慮火炮減重及總體結(jié)構(gòu)布局的可行性,將復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)沿身管軸向?qū)ΨQ布局的2種方案與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比。3種方案如下:方案1(原方案)為復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)水平布局;方案2為復(fù)進(jìn)機(jī)布局在揺架上方,制退機(jī)布局在揺架下方;方案3采用2個(gè)制退機(jī)、2個(gè)復(fù)進(jìn)機(jī),并分別在搖架的上下成對(duì)稱布局。此時(shí)每個(gè)復(fù)進(jìn)機(jī)、制退機(jī)上加的載荷為原來的一半。這3種布局方案如圖2所示。

圖2　反后坐裝置布局示意圖

3數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

對(duì)上述3種方案依前述方法建立對(duì)應(yīng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)其射擊后210 ms進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。選取炮口高低角位移θz、高低角速度ωz、前后襯瓦接觸力FN1和FN2進(jìn)行比較分析。

結(jié)合圖3、圖4,在彈丸出炮口瞬間(約12.95 ms)及前一段時(shí)間內(nèi),采用方案2、方案3時(shí)火炮的高低角位移較方案1分別減小了23.0%和34.5%;膛內(nèi)時(shí)期,采用方案2、方案3時(shí)其最大炮口高低角速度僅為方案1的66.5%和34.1%。炮口高低角位移和角速度不僅較小,且曲線也較為平緩。

圖3　高低角位移對(duì)比曲線

圖4　高低角速度對(duì)比曲線

膛內(nèi)時(shí)期前、后襯瓦接觸力分別如圖5和圖6所示。由圖可見,出炮口前一段時(shí)間,方案3的接觸力均最小,特別是前襯瓦與身管的接觸力在出炮口時(shí)僅約為方案1的20%;整個(gè)階段方案3的接觸力變化幅度也最小,有利于提高火炮的射擊穩(wěn)定性。值得指出的是,膛內(nèi)時(shí)期,前襯瓦、后襯瓦與身管的接觸力均有 “換向”現(xiàn)象,分別發(fā)生在射擊后約3 ms和6 ms時(shí)刻。

圖6　膛內(nèi)時(shí)期后襯瓦接觸力對(duì)比曲線

圖7和圖8分別為射擊后210 ms內(nèi)前襯瓦、后襯瓦的接觸力對(duì)比圖,此時(shí)間段包含了整個(gè)后坐和復(fù)進(jìn)時(shí)期。可以看出,方案3的前襯瓦接觸力幾乎都較其他兩個(gè)方案的小,且變化較為平穩(wěn),其最大接觸力較方案1減小了約40%;方案2的最大接觸力也較方案1減小了約30%。與此同時(shí),方案3的后襯瓦接觸力也是最優(yōu)的,絕大部分時(shí)刻其大小不到方案1的50%,方案2的后襯瓦接觸在很多時(shí)刻也較方案1減小約50%,但是其變化趨勢(shì)不及方案1那樣平緩。

圖7　射擊后210 ms內(nèi)前襯瓦接觸力對(duì)比曲線

圖8　射擊后210 ms內(nèi)后襯瓦接觸力對(duì)比曲線

各參數(shù)對(duì)比如表2所示。表中,θz，ωz為彈丸出炮口時(shí)刻炮口中心相應(yīng)的參數(shù);FN1,max,FN2,max分別為膛內(nèi)時(shí)期前襯瓦和后襯瓦接觸力最大值。以上數(shù)值計(jì)算結(jié)果均很好地說明了方案3能更有利于抑制炮口振動(dòng)。方案2較原方案也有一定的改進(jìn),但是不及方案3效果顯著。

表2　火炮發(fā)射時(shí)各參數(shù)對(duì)比

4結(jié)束語

本文以某大口徑牽引火炮為研究對(duì)象,考慮了間隙滑移副,基于改進(jìn)了的Hertz接觸模型并引入修正的Coulomb摩擦力方程,建立了揺架前、后襯瓦與身管的柔體-柔體接觸碰撞關(guān)系,進(jìn)而建立了全炮剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型。為減小炮口振動(dòng),提出2種復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)對(duì)稱布局的反后坐改進(jìn)布局方案,并以上述模型對(duì)3種不同反后坐裝置結(jié)構(gòu)布局方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算分析。

數(shù)值計(jì)算表明:①反后坐裝置布局方式中采用2個(gè)制退機(jī)、2個(gè)復(fù)進(jìn)機(jī)分別在搖架的上下成對(duì)稱布局,能更好地減小炮口振動(dòng),有利于提高射擊精度,且也減小了揺架襯瓦接觸力,有利于提高襯瓦的摩擦壽命;②該火炮膛內(nèi)時(shí)期,前、后襯瓦與身管的接觸均有“換向”現(xiàn)象。

本研究對(duì)火炮總體設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。需要指出的是,本文在研究過程中對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,如簡(jiǎn)化了耳軸和耳軸座的連接關(guān)系為理想轉(zhuǎn)動(dòng)副。

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Research on Influence of Recoil Mechanism Structure on Muzzle Disturbance

XIAO Hui,YANG Guo-lai,GE Jian-li,YU Qing-bo

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:Muzzle disturbance is one of key factors influencing the firing accuracy,and it is closely related to arrangements of recoil mechanism and load transfer.The relationships of front and back bushings and barrel were simulated by Flex-Flex contact model.A modified Hertz contact model and a Coulomb friction equation with clearance joints were introduced to simulate the contact relationships of barrel-cradle bushing.The rigid-flexible coupling dynamic model of artillery was established.Numerical simulations and evaluation analysis of these schemes of recoil mechanism were carried out based on the proved model.Research shows that the muzzle disturbance and contact force can be reduced effectively by symmetrically setting recoil mechanism.The proposed recoil-mechanism can improve the firing accuracy and extend the performance life of cradle bushings,and it has great significance for artillery systematic design.

Key words:artillery;recoil mechanism;muzzle disturbance;cradle bushing;contact

收稿日期:2016-01-05

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11172139);國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ47076508);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(No.30915118825)

作者簡(jiǎn)介:蕭輝(1988- ),男,博士研究生,研究方向?yàn)榛鹋诎l(fā)射動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。E-mail:xiaohui238@gmail.com。 通訊作者:楊國(guó)來(1968- ),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榛鹋诂F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。E-mail:yyanggl@mail.njust.edu.cn。

中圖分類號(hào):TJ303.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-499X(2016)02-0053-04