景鵬淵，顧克秋

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響

景鵬淵，顧克秋

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

建立輕型火炮彈炮耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，采用控制單一變量變化的方法，研究后坐體質(zhì)量、質(zhì)心位置、動(dòng)力偶臂變化對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，減小炮口制退器質(zhì)量和動(dòng)力偶臂以及保證后坐體質(zhì)心位于前后支點(diǎn)之間對(duì)降低彈丸起始擾動(dòng)是有利的，為輕型火炮后坐體結(jié)構(gòu)參量合理匹配提供參考。

后坐體；質(zhì)量；質(zhì)心；動(dòng)力偶臂；彈丸起始擾動(dòng)

火炮是一種身管射擊武器，彈丸受膛壓作用在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)并獲得一定的初速，同時(shí)使后坐體軸向運(yùn)動(dòng)。由于彈丸在膛內(nèi)與身管膛線(xiàn)的耦合作用，后坐體結(jié)構(gòu)參量必然對(duì)彈丸起始擾動(dòng)產(chǎn)生影響。彈丸起始擾動(dòng)是影響火炮射擊密集度的重要因素，由出炮口時(shí)刻的角位移、角速度構(gòu)成，降低彈丸起始擾動(dòng)對(duì)提高射擊密集度是有利的。

目前，通過(guò)多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)或者結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型研究后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)炮口振動(dòng)影響的文獻(xiàn)較多，研究后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)影響的文獻(xiàn)相對(duì)較少。梁傳建等[1]建立了某大口徑火炮上裝部分有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，以降低炮口振動(dòng)為目標(biāo)，利用遺傳算法進(jìn)行火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化；蔡文勇等[2]建立某車(chē)載炮多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究了動(dòng)力偶臂、導(dǎo)軌間隙等結(jié)構(gòu)參量對(duì)炮口振動(dòng)的影響；李睿[3]建立后坐運(yùn)動(dòng)微分方程和內(nèi)彈道方程，對(duì)后坐體質(zhì)量估算值進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，使后坐長(zhǎng)、后坐速度等運(yùn)動(dòng)性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

本文通過(guò)建立某大口徑輕型火炮彈炮耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，研究火炮設(shè)計(jì)工作中比較重要的一些后坐體結(jié)構(gòu)參量，對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響規(guī)律，為后坐體結(jié)構(gòu)參量合理匹配提供一定的參考。

1 彈炮耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

在火炮發(fā)射過(guò)程中，膛內(nèi)時(shí)期彈丸與膛線(xiàn)之間的相互作用機(jī)理十分復(fù)雜。未發(fā)射前彈丸與身管裝配關(guān)系如圖1所示。在構(gòu)建彈炮耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)模型時(shí)作以下基本假設(shè)[4-5]：

1) 不考慮彈丸擠進(jìn)過(guò)程，即彈帶已預(yù)先切割出刻痕并已完全擠入膛線(xiàn)；

2) 不考慮火藥燃?xì)飧邷氐挠绊懀?/p>

3) 考慮彈丸前定心部與身管內(nèi)壁陽(yáng)線(xiàn)的間隙的影響；

4) 考慮重力的影響，即考慮身管預(yù)彎。

圖1 彈丸與身管耦合關(guān)系

1.2 后坐體建模策略

后坐體可以視為由炮尾部分、身管及炮口制退器三部分構(gòu)成，其中炮尾部分包括炮尾、炮閂和參與后坐運(yùn)動(dòng)的部分反后坐裝置。

質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)量分布中心位置即為質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心，僅與各質(zhì)點(diǎn)的大小和分布的相對(duì)位置有關(guān)，假設(shè)質(zhì)點(diǎn)系由n個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，質(zhì)量分別為m1,m2,…,mn，其質(zhì)心相對(duì)于固定坐標(biāo)系的矢徑分別為r1,r2,…,rn，則質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)心矢徑rσ為：

(1)

將構(gòu)件的質(zhì)量通過(guò)集中質(zhì)量代換，并且使代換質(zhì)量與原有質(zhì)量在動(dòng)力學(xué)上等效，稱(chēng)為質(zhì)量代換[6]。因此，通過(guò)調(diào)整各部分質(zhì)量屬性即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后坐體質(zhì)量、質(zhì)心位置的控制。

當(dāng)有限元模型中某些部分的變形可以忽略不計(jì)或者對(duì)結(jié)果影響較小時(shí)，將其視為剛體可以有效提高計(jì)算效率和簡(jiǎn)化模型，并且不會(huì)影響整體計(jì)算結(jié)果[7]。本文著重研究后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響，在發(fā)射過(guò)程中炮尾部分、炮口制退器的變形忽略不計(jì)。因此，將炮尾部分、炮口制退器作為剛體處理，帶膛線(xiàn)的身管則運(yùn)用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格作為柔體處理，通過(guò)將炮尾部分、炮口制退器與身管對(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)耦合構(gòu)成完整的后坐體。

1.3 彈炮耦合全炮有限元?jiǎng)恿W(xué)模型

某大口徑輕型火炮由后坐體、反后坐裝置、搖架、高平機(jī)、上架、座圈、下架、前大架和后大架等組成。

在建立彈炮耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)模型時(shí)，后坐體采用前文所述的剛?cè)狁詈?，架體部分采用殼單元模擬，各部件之間的相互作用關(guān)系通過(guò)建立接觸與連接器單元實(shí)現(xiàn)。復(fù)進(jìn)機(jī)、制退機(jī)通過(guò)有限元軟件二次開(kāi)發(fā)調(diào)用所編寫(xiě)的用戶(hù)子程序加載；高平機(jī)通過(guò)等效剛度的單軸連接器模擬；座圈之間的連接關(guān)系簡(jiǎn)化為六自由度等效剛度連接器；土壤采用摩爾-庫(kù)倫模型，下架與土壤建立接觸關(guān)系，前大架、后大架與土壤的作用關(guān)系通過(guò)質(zhì)量-彈簧-阻尼集中參數(shù)模型模擬；將土壤和地面參考點(diǎn)完全約束。

通過(guò)隱式求解器獲得重力場(chǎng)下的初始發(fā)射狀態(tài)即考慮了身管預(yù)彎現(xiàn)象，再利用顯式求解器對(duì)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行求解。發(fā)射過(guò)程中在彈底與身管內(nèi)膛上分別施加彈底壓力、坡膛壓力和膛底壓力；彈炮耦合全炮有限元?jiǎng)恿W(xué)模型如圖2所示。

本文選取裝藥條件為底凹彈、高溫，選取該輕型火炮的最大射程角狀態(tài)，即射角48°/方向角0°的射擊工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。對(duì)后坐部分規(guī)定局部坐標(biāo)系，與身管軸線(xiàn)重合的坐標(biāo)軸為x軸，其正方向?yàn)榕诳诜较?，與身管軸向垂直且向上為y軸正方向，z軸方向根據(jù)右手定則確定。

圖2 彈炮耦合全炮有限元模型

2 后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響

2.1 彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)

選用彈丸起始擾動(dòng)參量變化表征輕型火炮的射擊密集度，彈丸起始擾動(dòng)參量由彈丸出炮口時(shí)刻的彈丸質(zhì)心在俯仰、回轉(zhuǎn)方向的角位移、角速度構(gòu)成，采用線(xiàn)性加權(quán)和歸一化方法處理，構(gòu)造針對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的評(píng)價(jià)函數(shù)[4-5]：

(2)

式(2)中:θz、θy為彈丸在俯仰方向和回轉(zhuǎn)方向的角位移；ωz、ωy為彈丸在俯仰方向和回轉(zhuǎn)方向的角速度；θz0、ωz0、θy0、ωy0取后坐體結(jié)構(gòu)參量為原始總體方案時(shí)相對(duì)應(yīng)的彈丸起始擾動(dòng)參量，顯然，原始總體方案的彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)值f=1.00；c1～c4為加權(quán)系數(shù)，其值之和為1，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)介紹，一般取值為c1=c2=0.3，c3=c4=0.2。

本文采用控制單一變量變化的試驗(yàn)枚舉法研究后坐體機(jī)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響，即改變某一部分的某個(gè)結(jié)構(gòu)參量時(shí)，其他結(jié)構(gòu)參量不變。

2.2 炮口制退器質(zhì)量的影響

炮口制退器是炮身的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)在上下、左右方向具有對(duì)稱(chēng)性。因此，本文以質(zhì)量系數(shù)MPK表示仿真炮口制退器質(zhì)量與真實(shí)炮口制退器質(zhì)量的比值，著重研究炮口制退器質(zhì)量變化對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響。

基于前文所述彈炮耦合全炮有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，修改炮口制退器質(zhì)量，分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示，繪制炮口制退器質(zhì)量系數(shù)MPK與彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)f值的曲線(xiàn)如圖3所示。

表1 炮口制退器質(zhì)量系數(shù)變化的影響

圖3 炮口制退器質(zhì)量系數(shù)變化對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響

根據(jù)表1和圖3可以看出：當(dāng)炮口制退器質(zhì)量減小時(shí)，彈丸起始擾動(dòng)總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。因此，在進(jìn)行火炮總體設(shè)計(jì)時(shí)，從降低彈丸起始擾動(dòng)的角度分析，較小的炮口制退器質(zhì)量對(duì)降低彈丸起始擾動(dòng)是有利的。

2.3 炮尾部分質(zhì)量及動(dòng)力偶臂的影響

炮尾部分是后坐體中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且質(zhì)量較大的一部分，其質(zhì)量的變化對(duì)后坐體質(zhì)量、質(zhì)心位置有較大的影響[8]。

對(duì)于輕型火炮而言，如何實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)并且充分挖掘減重空間是非常重要的。炮尾部分質(zhì)量在后坐體中占有較大比值，其質(zhì)量變化對(duì)火炮性能的影響值得研究。

動(dòng)力偶臂是影響火炮性能的重要參數(shù)，炮尾部分質(zhì)量在后坐體中占有較大比值，并且其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以通過(guò)調(diào)整其質(zhì)心在上下方向的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)后坐體動(dòng)力偶臂的調(diào)整[9]；由于本文所研究的輕型火炮采用反后坐裝置上下布置的方式，其后坐體具有左右對(duì)稱(chēng)的特征，因此對(duì)后坐體質(zhì)心位置在左右方向的變化不做研究。

研究炮尾部分質(zhì)量屬性對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響主要集中在如下兩個(gè)方面：炮尾部分質(zhì)量變化、炮尾部分質(zhì)心位置上下變化導(dǎo)致的動(dòng)力偶臂變化。

在彈炮耦合全炮有限元?jiǎng)恿W(xué)模型中僅僅改變炮尾部分質(zhì)量，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，以質(zhì)量系數(shù)MPW表示仿真炮尾部分質(zhì)量與真實(shí)炮尾部分質(zhì)量的比值，得到彈丸起始擾動(dòng)隨質(zhì)量系數(shù)MPW變化的計(jì)算結(jié)果如表2所示，繪制炮尾部分質(zhì)量系數(shù)MPW與彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)f的曲線(xiàn)如圖4所示。

表2 炮尾部分質(zhì)量系數(shù)變化的影響

圖4 炮尾部分質(zhì)量系數(shù)變化對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響

根據(jù)表2和圖4可以看出：增加炮尾部分的質(zhì)量，彈丸的起始擾動(dòng)隨之減??；另一方面，減小炮尾部分的質(zhì)量，彈丸的起始擾動(dòng)增幅并不明顯。由此可見(jiàn)，對(duì)于該型火炮，炮尾部分存在一定的減重余地。

僅僅在上下方向移動(dòng)炮尾部分質(zhì)心，從而在保證后坐體質(zhì)量不變的前提下改變后坐體質(zhì)心的偏心距，即改變動(dòng)力偶臂。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)f值隨動(dòng)力偶臂e值變化的計(jì)算結(jié)果如表3所示，繪制動(dòng)力偶臂e值變化與彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)f值的曲線(xiàn)如圖5所示。

表3 動(dòng)力偶臂變化的影響

圖5 動(dòng)力偶臂對(duì)彈丸起始擾動(dòng)影響

根據(jù)表3和圖5可以看出：一方面，當(dāng)后坐體的動(dòng)力偶臂變?cè)?0 mm之內(nèi)變化時(shí)，彈丸起始擾動(dòng)變化范圍不大；另一方面，當(dāng)動(dòng)力偶臂e值較小時(shí)彈丸起始擾動(dòng)相對(duì)較小。

當(dāng)前的總體方案中，各部分質(zhì)量、質(zhì)心位置通過(guò)匹配確定動(dòng)力偶臂e=0.1 mm，在所研究的動(dòng)力偶臂樣本方案中的彈丸起始擾動(dòng)最小。因此，在進(jìn)行火炮總體方案布局時(shí)，減小動(dòng)力偶臂e值是降低彈丸起始擾動(dòng)的重要方法。

2.4 后坐體質(zhì)心前后變化的影響

為保證射擊穩(wěn)定性，輕型火炮在設(shè)計(jì)時(shí)，質(zhì)量分配系數(shù)(后坐體質(zhì)量與全炮質(zhì)量的比值)相對(duì)較高，一般為0.5～0.55，并且在總體布局上具有全炮質(zhì)心前移的特點(diǎn)[11]。搖架前套箍作為支撐身管的重要結(jié)構(gòu)，不僅關(guān)系到架體結(jié)構(gòu)是否緊湊，而且前支點(diǎn)與后坐體質(zhì)心的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)火炮射擊密集度的影響也需要重點(diǎn)考慮。

在不改變搖架、身管結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)匹配其余部分的質(zhì)量，保證后坐體質(zhì)量不變，質(zhì)心位置僅在前后方向移動(dòng)。計(jì)算結(jié)果如表4所示，繪制后坐體質(zhì)心前后變化與彈丸起始擾動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)f值的曲線(xiàn)如圖6所示，圖6中橫坐標(biāo)的實(shí)際意義是指后坐體質(zhì)心相對(duì)于前套箍位置在前后方向(x軸方向)的距離。

表4 后坐體質(zhì)心前后變化的影響

根據(jù)表4和圖6可以看出：在不影響架體布局的前提下，控制后坐體質(zhì)量不變，當(dāng)后坐體質(zhì)心位于前支點(diǎn)之前時(shí)，由于后坐過(guò)程中搖架支撐后坐體的方式會(huì)發(fā)生變化，滑塊與導(dǎo)軌、身管與前套箍的接觸狀態(tài)隨之發(fā)生變化，彈丸起始擾動(dòng)相對(duì)較大；當(dāng)后坐體質(zhì)心位于前后支點(diǎn)之間時(shí)，彈丸起始擾動(dòng)隨后坐體質(zhì)心后移而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

在考慮火炮總體布置時(shí)，保證后坐體質(zhì)心落在身管前后支撐點(diǎn)之間，能降低彈丸起始擾動(dòng)，有利于提高火炮設(shè)計(jì)密集度，這與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一致[2,10]。

圖6 后坐體質(zhì)心前后變化對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響

3 結(jié)論

1) 炮口制退器質(zhì)量較小對(duì)降低彈丸起始擾動(dòng)有利；

2) 減小動(dòng)力偶臂e值對(duì)降低彈丸起始擾動(dòng)非常重要；

3) 在進(jìn)行火炮總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保證后坐體質(zhì)心位置落在前后支點(diǎn)之間，避免后坐體質(zhì)心位置位于前支點(diǎn)之前，這樣有利于降低彈丸起始擾動(dòng)。

4) 研究結(jié)果對(duì)面向射擊密集度的輕型火炮總體設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 梁傳建，楊國(guó)來(lái)，王曉峰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的火炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化[J].兵工學(xué)報(bào)，2016(5)：789-794.

[2] 蔡文勇，陳運(yùn)生，楊國(guó)來(lái).車(chē)載火炮炮口擾動(dòng)影響因素分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005(6)：658-661.

[3] 李睿.管退式自動(dòng)機(jī)的后坐體質(zhì)量?jī)?yōu)化計(jì)算方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2014(5)：36-38.

[4] 李強(qiáng)，顧克秋，王力.影響彈丸起始擾動(dòng)的火炮結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2014(4)：39-43.

[5] 劉成柱，顧克秋，張?chǎng)卫?某車(chē)載炮上架剛度對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016(6)：24-28.

[6] 張策.機(jī)械動(dòng)力學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社,2008.

[7] 莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[8] 潘玉田.炮身設(shè)計(jì)[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2007.

[9] 李凱.動(dòng)力偶臂測(cè)量研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2009.

[10]王寶元.中大口徑火炮射擊密集度研究綜述[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2015(2)：82-87.

[11]張景華，余英，康瑞霞.大口徑輕型火炮關(guān)鍵技術(shù)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2010(1)：89-92.

(責(zé)任編輯 周江川)

Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance

JING Peng-yuan，GU Ke-qiu

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

A dynamical finite element model based on projectile-barrel coupling was established for a large caliber gun, and the recoilingparts includes breech parts, tube and break. By solving the finite element model with different structure parameters of recoiling parts, the impact of mass, mass center and couple arm on initial projectile disturbance could be identified. Through the dynamics calculation, it reduced the muzzle brake power and ensured the quality and the dipole arm and the projectile initial disturbance between the recoil in the pivot centroid is favorable. This research has the reference significance for the reasonable matching the structure parameters of recoiling parts.

recoiling part; mass; mass center; couple arm; initial projectile disturbance

2016-11-01；

2016-11-15

武器裝備重點(diǎn)預(yù)先研究項(xiàng)目(40404050401)

景鵬淵(1992—)，男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及有限元分析研究;顧克秋(1963—)，男，教授，主要從事火炮總體設(shè)計(jì)及發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究。

10.11809/scbgxb2017.02.013

景鵬淵，顧克秋.后坐體結(jié)構(gòu)參量對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):53-56.

format:JING Peng-yuan，GU Ke-qiu.Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):53-56.

TJ302

A

2096-2304(2017)02-0053-04