葛勝利

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

傳統(tǒng)艦炮設(shè)計(jì)理論對(duì)艦炮的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析時(shí)，多基于“平面、對(duì)稱及靜平衡”3個(gè)基本假設(shè)[1]。因此，在對(duì)艦炮進(jìn)行建模與分析時(shí)，雖然引入了多種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，但仿真結(jié)果與實(shí)際仍有較大差異。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，傳統(tǒng)的分析方法實(shí)際上是準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法，而艦炮實(shí)際工作時(shí)，是一個(gè)受沖擊的過(guò)程，應(yīng)采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行分析。隨著現(xiàn)代火炮設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視，是未來(lái)火炮設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展趨勢(shì)。例如美國(guó)TACOM公司提出利用虛擬樣機(jī)技術(shù)支持3 200多種武器系統(tǒng)的研制，依據(jù)武器系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)可以在物理樣機(jī)制造之前，全面掌握武器潛在的各種問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)變更和設(shè)計(jì)反饋，減少設(shè)計(jì)失誤和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過(guò)程開發(fā)的方法，虛擬樣機(jī)模型包含了產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)的信息，包括物理樣機(jī)的幾何信息、材料信息和供仿真分析的數(shù)學(xué)模型信息，這種模型實(shí)際上是一種設(shè)計(jì)、分析一體化的模型，可用來(lái)分析和評(píng)估系統(tǒng)的性能，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參考依據(jù)。虛擬樣機(jī)開發(fā)過(guò)程如圖1所示。

圖1 虛擬樣機(jī)開發(fā)過(guò)程Fig.1 Virtual prototype development process

建立一個(gè)全面反映艦炮的工作過(guò)程并準(zhǔn)確描述各零部件運(yùn)動(dòng)和受力的動(dòng)力學(xué)模型，是解決艦炮仿真問(wèn)題的重要步驟。虛擬樣機(jī)技術(shù)是將機(jī)械系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，外部影響通過(guò)作用力和驅(qū)動(dòng)約束等元素施加于系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系與作用[2]。本文探討了虛擬樣機(jī)技術(shù)在某艦炮供彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)在PRO/E環(huán)境下建立的三維參數(shù)化模型，在ADAMS中建立供彈系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，得到主要傳動(dòng)件的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。然后利用已經(jīng)建立的彈鼓運(yùn)動(dòng)阻力參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)供彈系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)該裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出射擊狀態(tài)下彈鼓運(yùn)動(dòng)速度、輸入扭矩等參數(shù)曲線，其變化趨勢(shì)及最終狀態(tài)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合，充分證明了計(jì)算結(jié)果的可信性。

1 供彈系統(tǒng)工作原理

某型艦炮的彈鼓式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)是1套大容量、能夠連續(xù)快速供彈、結(jié)構(gòu)緊湊并具有多彈種更換功能的系統(tǒng)平臺(tái)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

供彈系統(tǒng)動(dòng)力由自動(dòng)機(jī)提供，經(jīng)過(guò)齒輪箱中4級(jí)齒輪和太陽(yáng)輪運(yùn)動(dòng)傳遞至行星輪，行星輪的公轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)鼓旋轉(zhuǎn)將炮彈從內(nèi)鼓輸出，經(jīng)齒輪箱各級(jí)撥彈輪輸入炮膛。

圖2 供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of a projectile supply system

2 建立供彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

本文利用PRO/E軟件建立模型，根據(jù)供彈系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立三維模型。在PRO/E中裝配時(shí)，要檢查裝配模型的干涉情況，以減小仿真分析時(shí)，由模型初始狀態(tài)所引起的誤差。彈藥傳遞過(guò)程中存在復(fù)雜的接觸碰撞關(guān)系，仿真不但要求得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還要能夠得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中零件間的相互作用，以更好的模擬零件的真實(shí)工作狀態(tài)。對(duì)于建好的三維模型，首先需要對(duì)模型進(jìn)行校核，檢查裝配模型是否存在干涉，若存在需對(duì)模型進(jìn)行局部修改或者重新裝配，其次在建立動(dòng)力學(xué)模型過(guò)程中需對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，如一些不影響仿真結(jié)果的零件（如螺栓、螺母等）和一些不關(guān)心的部件（如機(jī)箱），可直接刪除，這樣可以降低求解資源、節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

該模型全面反映了機(jī)構(gòu)的幾何特征，包括各部分的尺寸、各幾何體之間的連接關(guān)系和裝配關(guān)系。

建立模型的步驟如下：

1）在PRO/E中裝配好三維實(shí)體模型后，將模型導(dǎo)入ADAMS中；

2）在ADAMS中設(shè)置重力在-Y方向，并設(shè)置每個(gè)部件的密度，使其具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[4]。

3）機(jī)架以及不參加運(yùn)動(dòng)的部件和大地建立固定副，齒輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩齒之間添加接觸副，接觸參數(shù)設(shè)置為：k=1.1×10E9，e=1.5，δ=45，C=0.01。設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副和接觸副摩擦系數(shù)；并通過(guò)軟件檢查機(jī)構(gòu)自由度驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的可解性，對(duì)模型中的過(guò)約束進(jìn)行修改。添加完約束必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)檢查（model verify），必須確保沒(méi)有過(guò)約束，否則仿真會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。特別對(duì)于封閉機(jī)構(gòu)（如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)），ADAMS一定會(huì)產(chǎn)生過(guò)約束，此時(shí)要用基本約束副代替旋轉(zhuǎn)副或滑動(dòng)副。

4）根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)中自動(dòng)機(jī)射速，在輸入軸上施加轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。模擬轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。

將實(shí)驗(yàn)得到的每2發(fā)彈發(fā)射間隔轉(zhuǎn)換為星形體的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速添加在底部曲柄連桿機(jī)構(gòu)的大錐齒輪上，從而給整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。由于實(shí)驗(yàn)中每?jī)砂l(fā)彈發(fā)射間隔時(shí)間是變化的，故需將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS中，用AKIMA插值擬合發(fā)進(jìn)行擬合，得到曲線，并將轉(zhuǎn)速曲線加載到錐齒輪上，由錐齒輪帶動(dòng)星形體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)錐齒輪與五齒齒輪嚙合，帶動(dòng)撥彈軸運(yùn)動(dòng)，從而給撥彈輪傳遞動(dòng)力。供彈系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖3 模擬轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Simulated rotational speed curve

圖4 彈鼓虛擬樣機(jī)模型Fig.4 Virtual prototype model of missile and drum

5）仿真計(jì)算

建好虛擬樣機(jī)模型后，選擇求解器并確定分析時(shí)間及步長(zhǎng)，即可進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

本文主要分析艦炮發(fā)射過(guò)程中，從啟動(dòng)到運(yùn)行平穩(wěn)這個(gè)階段，考慮了彈鼓中不裝彈空載和裝滿彈滿載2種情況。內(nèi)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定了供彈系統(tǒng)的供彈速度，進(jìn)而影響自動(dòng)機(jī)發(fā)射率。這段時(shí)間內(nèi)彈鼓旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度變化情況如圖5和圖6所示。

整個(gè)過(guò)程處于加速階段，因此齒輪上的作用力較大。運(yùn)動(dòng)經(jīng)由齒輪箱最后一級(jí)齒輪與太陽(yáng)輪的嚙合傳入彈鼓，此處處于傳動(dòng)鏈的中間位置。本文采集此處的嚙合力曲線如圖7所示。

圖5 2種情況下彈鼓角速度Fig.5 Projectile angular velocity in two cases

圖6 2種情況下彈鼓角加速度Fig.6 The acceleration of the blast angle in two cases

圖7 嚙合力曲線Fig.7 Meshing force curve

供彈系統(tǒng)啟動(dòng)加速過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)力矩迅速增大，隨著啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，供彈系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)力矩經(jīng)歷正弦式波動(dòng)后逐漸趨于平緩，最后圍繞一個(gè)較小值在小范圍內(nèi)正弦波動(dòng)。如圖8所示。

圖8 彈鼓啟動(dòng)力矩Fig.8 Start torque of a drum

圖5中彈鼓角速度增加基本一致，但滿載情況下上升較為平緩，空載情況下曲線出現(xiàn)尖點(diǎn)拐點(diǎn)。從圖6中可以看出，空載情況下的彈鼓角加速度變化劇烈，滿載情況下較為穩(wěn)定，同時(shí)印證空載情況下受力波動(dòng)較大?？蛰d時(shí)，角加速度最大值出現(xiàn)在0.072 s附近，滿載時(shí)在0.06—0.07 s內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3次峰值。此時(shí)嚙合力在7 000 N附近波動(dòng)，并在0.066 s出現(xiàn)最大值。在0.095 s后，角加速度趨于0，角速度達(dá)到最大值，運(yùn)行趨于平穩(wěn)。由圖7可以看出，空載情況下，受力波動(dòng)較大，這時(shí)輪齒受到較嚴(yán)重的沖擊。在速度達(dá)到最大值并將穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，嚙合力仍以較大幅度波動(dòng)，末端反而出現(xiàn)一個(gè)最大受力。滿載情況下，受力波動(dòng)較小，但是受力較大，最大值接近11 000 N。在速度達(dá)到最大值并穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，受力逐漸減小趨于穩(wěn)定。由圖8可以看出彈鼓啟動(dòng)力矩最大值為125 N·m，射速穩(wěn)定后輸入扭矩25 N·m。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

彈鼓運(yùn)動(dòng)阻力檢測(cè)裝置主要用于研制內(nèi)能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)帶動(dòng)彈鼓供彈系統(tǒng)的能源匹配試驗(yàn)、彈鼓運(yùn)動(dòng)阻力矩檢驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，可以進(jìn)行模擬試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試，確定彈鼓供彈系統(tǒng)的阻力距特性、供彈的可靠性以及其他特性，為該產(chǎn)品的檢驗(yàn)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)。彈鼓運(yùn)動(dòng)阻力檢測(cè)裝置主要由彈鼓阻力矩及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)、彈鼓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、炮彈運(yùn)動(dòng)及加速度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)等4部分組成，如圖9所示。

圖9 彈鼓運(yùn)動(dòng)阻力檢測(cè)裝置Fig.9 Resistance detection device for drums and drums

按照4 200發(fā)/min射速設(shè)置試驗(yàn)裝置狀態(tài)，彈鼓運(yùn)動(dòng)角速度曲線如圖10所示，輸入扭矩曲線如圖11所示。

圖10 彈鼓運(yùn)動(dòng)角速度Fig.10 Angular velocity of projectile and drum motion

圖11 輸入扭矩Fig.11 Input torque

試驗(yàn)過(guò)程模擬了滿載情況下，該型艦炮射擊時(shí)供彈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，由于仿真計(jì)算步數(shù)限制，得到的彈鼓運(yùn)動(dòng)角速度曲線較短，沒(méi)有顯示出穩(wěn)定狀態(tài)，但其基本趨勢(shì)及最大值等數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。試驗(yàn)過(guò)程中，在停射時(shí)輸入扭矩會(huì)有一個(gè)突然增大的波峰，這是由于緊急制動(dòng)造成的，其變化趨勢(shì)與仿真計(jì)算結(jié)果也基本一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

在射擊起始階段，空載情況下的供彈系統(tǒng)齒輪嚙合力波動(dòng)較大，產(chǎn)生較大的加速度，因此振動(dòng)較大；滿載情況下的齒輪嚙合力大，加速過(guò)程相對(duì)空載時(shí)較平穩(wěn)。通過(guò)模擬射擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。根據(jù)以上供彈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，可以為供彈系統(tǒng)的強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供較為可靠的分析依據(jù)。