戴東明，毛保全，徐 禮，王傳有，吳永亮

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

遙控武器站[1]與傳統(tǒng)車(chē)載武器相比優(yōu)勢(shì)明顯。武器操作手只需要通過(guò)遙控的方式在具有良好防護(hù)性能的車(chē)體內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)和射擊，大大提高了士兵的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。武器站應(yīng)具備在快速機(jī)動(dòng)過(guò)程中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)、精確射擊的能力。為了解遙控武器站在車(chē)載行進(jìn)條件下連續(xù)射擊的情況，特別是武器站上車(chē)過(guò)程中須要考慮的影響因素和應(yīng)該注意的問(wèn)題，可在虛擬環(huán)境中建立路、車(chē)、武器站一體化動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1 路、車(chē)、炮一體化動(dòng)力學(xué)模型

進(jìn)行行進(jìn)間連續(xù)射擊動(dòng)力學(xué)仿真，獲取炮口振動(dòng)特性，需分別建立[2]路面、車(chē)輛底盤(pán)及武器站三大模型，而后在RecurDyn動(dòng)力學(xué)仿真軟件環(huán)境中生成一體化動(dòng)力學(xué)模型。

1.1 遙控武器站動(dòng)力學(xué)模型

遙控武器站三維模型在三維實(shí)體建模軟件SolidWorks中建立，并將生成的*.x_t文件導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn中，建立動(dòng)力學(xué)模型。

對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理后，其多剛體動(dòng)力學(xué)模型及約束如圖1所示。其中身管與自動(dòng)機(jī)固定，射擊時(shí)沿身管軸線作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。觀瞄裝置、搖架、供彈機(jī)通過(guò)左右耳軸安裝在炮塔上，繞耳軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。炮塔與車(chē)體相連，在方向機(jī)的作用下作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)機(jī)前側(cè)左右分別安裝有緩沖簧，運(yùn)用平動(dòng)彈簧阻尼驅(qū)動(dòng)器(TSDA)力元件來(lái)模擬。緩沖簧的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)根據(jù)該炮的原始設(shè)計(jì)參數(shù)確定?；鹋谏鋼魰r(shí)的沖擊載荷通過(guò)spline曲線進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)來(lái)自經(jīng)過(guò)Matlab處理后的實(shí)彈射擊數(shù)據(jù)。

1.2 車(chē)輛底盤(pán)動(dòng)力學(xué)模型

底盤(pán)部分包括1個(gè)車(chē)體和左右兩側(cè)履帶子系統(tǒng)，車(chē)體部分由三維實(shí)體建模軟件SolidWorks生成的*x_t文件轉(zhuǎn)化而來(lái),履帶環(huán)子系統(tǒng)通過(guò)RecurDyn/Track(HM)建立。履帶子系統(tǒng)[3]由主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪、拖帶輪、負(fù)重輪和懸掛裝置(油氣懸掛、平衡肘)等組成。每側(cè)履帶環(huán)子系統(tǒng)由96塊履帶板通過(guò)履帶端連器連接而成一個(gè)封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。車(chē)體左右兩側(cè)分別由1個(gè)主動(dòng)輪、1個(gè)誘導(dǎo)輪、5個(gè)負(fù)重輪、3個(gè)拖帶輪、5個(gè)平衡肘組成。

車(chē)輛底盤(pán)虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示。底盤(pán)主動(dòng)輪前置，采用雙銷(xiāo)式履帶、雙輪緣負(fù)重輪。懸掛系統(tǒng)采用油氣懸掛，將試驗(yàn)得到的彈簧力和阻尼力數(shù)據(jù)擬合后，運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧阻尼驅(qū)動(dòng)器(RSDA)力元件來(lái)模擬剛度和阻尼特性。負(fù)重輪通過(guò)平衡肘與車(chē)體相連，平衡肘一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與負(fù)重輪連接，另一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與車(chē)體連接。履帶板實(shí)體建模所用的參數(shù)大部分來(lái)源于工程設(shè)計(jì)圖紙，其他暫不能獲得的參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值的范圍不斷進(jìn)行調(diào)整而最終確定。履帶板之間、履帶板與地面、負(fù)重輪之間以及主動(dòng)輪之間的接觸力分別根據(jù)相應(yīng)的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及幾何尺寸等參數(shù)來(lái)確定。根據(jù)該車(chē)的原始設(shè)計(jì)參數(shù)以及三維實(shí)體模型，確定各部件的幾何參數(shù)和性能參數(shù)，以及不同實(shí)體之間的約束關(guān)系，具體見(jiàn)表1。

表1 遙控武器站多剛體模型部件及約束關(guān)系

名稱(chēng)數(shù)量約束備注車(chē)體1平面同地面主動(dòng)輪2旋轉(zhuǎn)鉸同車(chē)體誘導(dǎo)輪2旋轉(zhuǎn)鉸同車(chē)體托帶輪6旋轉(zhuǎn)鉸同車(chē)體負(fù)重輪10旋轉(zhuǎn)鉸同車(chē)體履帶板192軸套履帶板間

1.3 路面模型

RecurDyn使用離散地形表示法[3]來(lái)描述地形,這種方法利用三角形片元素構(gòu)成路面,如圖3所示，每片有3個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)表示地面平面方程的法向量。圖3是用8個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)三角形片元素所組成的虛擬路面輪廓，使用這種方法可以編寫(xiě)不同的路面數(shù)據(jù)文件，建立諸如凹凸路面、溝壕路面、傾斜路面、障礙路面等路面的模型。

建立了3種典型路面譜模型，分別是柏油、干沙、粘土等路面模型，路面參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 柏油、粘土與干沙路面參數(shù)

履帶與路面之間的碰撞參數(shù)決定了接觸壓力，路面類(lèi)型和路面參數(shù)[4]在履帶子系統(tǒng)進(jìn)行定義。

1.4 路、車(chē)、炮三大模型耦合

模型耦合的關(guān)鍵，是各模型間的接觸關(guān)系。車(chē)體部分通過(guò)定義履帶子系統(tǒng)與路面文件的接觸特性，實(shí)現(xiàn)路面激勵(lì)向車(chē)輛底盤(pán)的傳遞；武器站系統(tǒng)與車(chē)輛底盤(pán)通過(guò)旋轉(zhuǎn)副連接。

車(chē)載遙控武器站在行進(jìn)過(guò)程中，路面激勵(lì)傳遞途徑如圖4所示，經(jīng)履帶、懸掛、車(chē)體到武器站系統(tǒng)，最后振動(dòng)特性在炮口中心處體現(xiàn)。

2 仿真結(jié)果與分析

進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析前，可以從靜平衡位置分析方面來(lái)驗(yàn)證模型的有效性[4]，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募s束條件、初始條件等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。讓整車(chē)模型在自身重力作用下自然落到水平地面上，圖5為整車(chē)車(chē)體質(zhì)心垂向位置變化曲線，由圖可知質(zhì)心垂向靜止位置在剛開(kāi)始時(shí)發(fā)生上下振動(dòng)，但約在2 s后不再變化，從而說(shuō)明了模型是有效的。

行駛時(shí)，主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)函數(shù)依次設(shè)定為：

STEP(TIME,0,0,5,720d)

STEP(TIME,0,0,5,1440d)

STEP(TIME,0,0,5,2160d)

運(yùn)動(dòng)函數(shù)的意義是:隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的變化，整車(chē)從0 s開(kāi)始加速，到5 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)速度10、20、30 km/h。射擊載荷從第7 s開(kāi)始加載，共10連發(fā)，作用時(shí)間約2 s。火炮方向角為0°，射角為3°。

圖6～圖8分別是遙控武器站在不同的行駛條件下，進(jìn)行行進(jìn)間射擊時(shí)，炮口中心的垂直振動(dòng)曲線。

從圖中可以看出，遙控武器站作行進(jìn)間射擊時(shí)，炮口中心的振動(dòng)情況在不同的行駛條件下呈不同的特點(diǎn)。在粘土和干沙路面進(jìn)行行進(jìn)間射擊時(shí)，行駛速度越高，炮口中心的振幅越大。以10 km/h的速度行駛時(shí)，曲線比較平整，炮口中心的振動(dòng)主要受火炮后坐運(yùn)動(dòng)與路面激勵(lì)的影響。以20 km/h和30 km/h的速度行駛時(shí)，炮口中心的振動(dòng)隨著速度的提高更加劇烈，其主要原因，是車(chē)體發(fā)生了明顯的前后俯仰運(yùn)動(dòng)。而在柏油路面行駛時(shí)，在30 km/h和10 km/h的速度下，炮口的振動(dòng)曲線相似，說(shuō)明在這兩種條件下，車(chē)體并未發(fā)生明顯的俯仰運(yùn)動(dòng)。

行駛速度較高的曲線一般都在行駛速度較低的曲線上方，主要原因是車(chē)輛在通過(guò)路面的過(guò)程中發(fā)生了一定程度的沉陷，路面越軟，沉陷的程度越大；行駛速度越慢，履帶與路面的作用時(shí)間越長(zhǎng)，沉陷的程度越大。

表3是不同行駛條件下炮口中心的振幅情況。在同一行駛速度下，柏油路面的振幅最小，粘土路面次之，干沙路面最大。

表3 不同行駛條件下炮口中心的振幅

3 結(jié) 論

通過(guò)建立路、車(chē)、炮一體化動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)遙控武器站進(jìn)行了行進(jìn)間射擊仿真分析。連續(xù)射擊時(shí)，炮口中心的振動(dòng)情況在不同的行駛條件下呈不同的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：

1)路面激勵(lì)和車(chē)體俯仰運(yùn)動(dòng)對(duì)炮口振動(dòng)的影響比火炮后坐運(yùn)動(dòng)對(duì)炮口振動(dòng)的影響要大。

2)行駛速度越高，車(chē)體越容易產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)，對(duì)炮口動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響越大。

3)行駛速度相同時(shí)，遙控武器站在硬質(zhì)路面行駛時(shí)射擊的炮口振幅比在軟質(zhì)路面時(shí)要小。

為提高射擊精度，駕駛員在駕駛車(chē)輛作戰(zhàn)時(shí)，應(yīng)盡量使車(chē)輛行駛平穩(wěn)；武器站操作手應(yīng)盡量在路況較好、低速或者靜止的條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊。

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