韓小平,趙富全,郝 剛,周世海

(1.裝甲兵工程學院 兵器工程系，北京 100072;2.總裝備部 通用裝備保障部，北京 100720 )

某型步兵戰(zhàn)車上配備100 mm車載炮和30 mm自動炮(以下簡稱30炮)，為了提高30炮射擊密集度，將其與100 mm車載炮通過支架相連，但是在實際過程中30炮射擊散布依然較大。筆者通過建立該型步兵戰(zhàn)車武器系統的剛柔耦合動力學模型，100 mm車載炮進行簡化建模，30炮進行細致建模，并進行仿真，重點分析30炮動力學特性，為提高連發(fā)射擊密集度提供一定參考。

1 射擊過程理論分析

30 mm炮身管長行程后坐的自動工作原理是利用炮彈發(fā)射時火藥氣體產生的后坐動能，使身管和炮尾進行長行程后坐，并通過炮尾帶動其他機構運動。發(fā)射時，自動炮的身管、炮尾連同炮閂在火藥氣體的作用下后坐。身管、炮尾同炮閂首先進行自由后坐，在后坐距離達到一定程度時，開始壓縮緩沖器彈簧直至后坐結束。

在被壓縮的緩沖器彈簧的作用下身管開始向前復進，炮閂被自動阻鐵卡住而停止運動，身管與炮尾繼續(xù)在緩沖器彈簧的作用下復進，炮尾在復進的過程中與炮閂配合開鎖、抽殼等一系列動作。

擊發(fā)時，擊發(fā)阻鐵釋放炮閂，炮閂在復進簧的作用下，向前復進到位，炮閂在復進的過程中與撥殼器配合完成撥殼、推彈進膛與拋殼、閉鎖炮膛并壓反跳鎖釋放炮尾的后端使身管在發(fā)射后能夠后坐，從而實現連續(xù)射擊。30 mm自動炮結構如圖1所示。

2 動力學特性

2.1 自動炮射擊循環(huán)的運動方程

由自動炮工作原理[1]可知，該自動炮可以等效為單自由度運動系統。取炮身為基礎構件，帶動其他從動構件運動，則其后坐復進遵循以下運動方程。

(1)

式中：F為作用于基礎構件的給定力的合力在其速度方向的分量；Fi為作用于構件的給定力的合力在其速度方向的分量(或為轉軸的給定力矩)，它為廣義力；mi為構件i的質量(或為轉動慣量)，它是廣義質量；ki為從基礎構件到構件i的廣義傳速比；ηi為從基礎構件到構件i的效率。

2.2 自動炮各構件撞擊方程

火炮發(fā)射時，自動炮各構件在連續(xù)傳動過程中，伴隨著劇烈的撞擊。因此，建立各構件之間的撞擊運動方程，是自動炮動力分析與計算的重要環(huán)節(jié)。建立撞擊運動方程需作一定假設：撞擊過程中各構件的外形不變，并略去撞擊時外力沖量及彈簧力的影響，同時撞擊瞬間完成，撞擊時構件的位移不變，只有速度發(fā)生突變。則全系統在基礎構件速度方向上的動量守恒表達式為：

(2)

2.3 緩沖簧力

緩沖簧由34對內外環(huán)構成，內環(huán)與外環(huán)接觸面為一個圓錐面，環(huán)型簧變形時，外加載荷與各環(huán)的彈性力和摩擦力平衡，由于摩擦力在壓縮(加載)和伸張(卸載)時改變方向，所以外加載荷在兩個階段是不相等的，因此緩沖簧剛度在后坐和復進過程中使用不同值。

后坐過程的緩沖簧作用力為：

(3)

復進過程的緩沖簧作用力：

(4)

式中：Xh0為緩沖簧預壓縮量；X為緩沖簧壓縮位移；Kh為緩沖簧壓縮和釋放時的剛度；η為緩沖簧工作機械效率。

2.4 彈帶阻力

在撥進彈鏈的過程中拉動彈鏈的力為：

(5)

式中：m為帶彈鏈節(jié)的單發(fā)炮彈質量；k為單個彈鏈節(jié)的剛度；Qnm為30發(fā)帶彈鏈節(jié)的炮彈質量；v為彈鏈送進速度。

2.5 抽殼力

因自動炮在復進過程中抽殼，此時抽殼膛壓可忽略不計，則抽殼力為：

F=2fπl(wèi)εtE′δ

(6)

式中：εt為藥筒相對緊縮量；l為藥筒緊貼膛壁的長度；δ為藥筒體的平均壁厚；f為摩擦系數。

3 剛柔耦合虛擬樣機

3.1 多剛體動力學模型的建立

為了增加仿真效率，需要在三維實體模型的基礎上進行合理簡化和修正處理，要在滿足分析研究的需要的條件下使模型零部件盡量少。該炮主要包括身管、緩沖器、炮箱、炮尾、復進簧、后蓋、拋殼器等。在添加約束和邊界條件后，建立了虛擬樣機模型。為了精簡模型并對炮身、炮閂的受力特性不造成影響，略去炮彈，在一次射擊循環(huán)中彈丸與自動炮之間的相互作用使用等效力[2-3]。

3.2 剛柔耦合動力學模型的建立

首先從Solidworks中導出30炮身管的.x_t格式的文件。在ANSYS13.0中打開.x_t格式的文件，選擇單元類型solid92、施加材料彈性模量為2.016 8×1011Pa，泊松比為0.29，密度為7.8×103kg/m3將支撐體劃分網格，在后處理的ADAMS Connection中設置柔性體屬性，然后生成支撐體的柔性體文件.mnf格式的文件。同時在ADAMS中導入MNF文件，用Rigid To Flex菜單命令將剛性身管替代成柔性體。100 mm車載炮簡化模型不變。

3.3 炮多剛體動力學模型的驗證

應用試驗值來驗證仿真模型的可信度是進行下一步分析的基礎，通過部隊調研和實彈射擊測量來獲得試驗數據。從表1可以看出，各對比數據最大誤差不超過10%，表中試驗值均為多次試驗給出的平均值，同時從整體上來看，自動炮完成單發(fā)時間試驗平均值為156.73 ms，射速為382發(fā)/分，仿真值為153.9 ms，射速為378發(fā)/分?？梢钥闯龇抡嬷岛驮囼炛稻哂休^好的吻合度[4-5]。

表1 炮身后坐時位移、時間、速度關系對比表

4 仿真計算及分析

4.1 模態(tài)分析

利用ANSYS Workbench 對身管進行模態(tài)分析。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。由于低階模態(tài)對振動系統影響較大，越是低階影響越大，故對身管的有限元模型求解共擴展了6階模態(tài)。身管前6階的固有頻率和振型描述如表2所示。從前6階固有頻率可以看出身管的固有頻率均較高，其1階固有頻率高于武器射擊頻率(該武器的射擊頻率大約是6.37 Hz)，且不成整數倍，沒有發(fā)生共振的危險,但是由于身管的前2階振型均為整體振動，說明該身管的剛度較好。雖然從第3階開始出現了彎振、扭振等局部振型，身管各部位剛度存在不均勻現象，但對武器的射擊準確度幾乎沒有影響。身管前6階模態(tài)如圖2所示。

表2 身管前6階模態(tài)

4.2 動力學仿真分析

對30炮剛柔耦合模型和多剛體模型進行動力學仿真計算，研究其炮口高低方向擾動規(guī)律。仿真時間為一個射擊循環(huán)，即從第1發(fā)開始擊發(fā)開始，到下一發(fā)閉鎖擊發(fā)為止，時間為0.157 s。30炮有無支撐時垂直方向擾動對比如圖3所示。不同間隙時的30炮垂直方向擾動對比如圖4所示。

從圖3與圖4中可以看出：

1)30炮身管依靠100炮身管支撐后，炮口擾動整體明顯減小。30炮有支撐情況下，連發(fā)射擊過程中，進行下一發(fā)射擊時，炮口偏離初始位置位移分量為0.1 mm、速度分量為10 mm/s。而相應的無支撐時，位移分量為0.3 mm、速度分量為20 mm/s，支撐可以起到減小炮口擾動的作用。

2)支撐體圓柱形套筒與30炮身管上的凸臺之間的間隙越小，炮口擾動整體明顯減小。無間隙時，炮口偏離初始位移量為0.05 mm；0.15 mm間隙時，炮口偏離初始位移量為0.1 mm；0.3 mm間隙時，炮口偏離初始位移量為0.2 mm。

3)30炮在進行連發(fā)射擊過程中，無論有無支持和間隙大小，下一發(fā)炮彈擊發(fā)時，炮口高低向的位移和速度分量偏差量都非常小，基本都恢復到初始位置。

由此可以得到：

30炮身管本身的彈性形變引起的振動頻率高，衰減快，基本在0.03～0.05 s之間已經衰減到開始的1/10，而一個射擊循環(huán)時間為0.157 s，所以由于身管本身的彈性形變引起的振動并不是引起火炮射擊散布大的主要原因。30炮的附加支撐體，對于身管來說是一種過定位安裝結構，在同等加工精度下，減小了裝配間隙，在一些情況下提高了30炮的射擊密集度。但是無論有無支撐，在連續(xù)射擊過程中，下一發(fā)擊發(fā)時，火炮基本恢復到初始位置，因此火炮身管本身的彈性形變在眾多影響火炮密集度因素中起到很小作用，與實際情況下該型步戰(zhàn)車連發(fā)射擊散布大是一致的，對于某些沒有附加支撐的30炮，射擊密集度是可以到達較高水平的，例如俄羅斯裝備的30炮都沒有使用附加支撐體，但是依然達到了相應的射擊密集度，因此30 mm自動炮的連發(fā)射擊密集度的影響因素需要進一步分析。

5 結束語

通過受力分析，建立了30炮的剛柔耦合模型并進行了驗證。對30炮身管進行了模態(tài)分析，表明30炮本身擁有較好的動態(tài)特性。在建立的剛柔耦合虛擬樣機的基礎上對30炮進行了動力學仿真，結果表明30炮連發(fā)射擊時散布大，并不是由于身管本身的彈性形變引起的，為下一步尋找引起30炮散布大的主要原因打下一定基礎。

[1] 王寶元,周發(fā)明,衡剛.火炮系統動力學與密集度研究[C].彈道學術交流會論文集,2007，12:178-181.

WANG Bao-yuan, ZHOU Fa-ming, HENG Gang. The research of dynamics and dispersion of artillery system[C].Symposium on Ballistics Essay Collection ,2007，12:178-181.(in Chinese)

[2] 鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001:42-43.

ZHEGN Jian-rong. ADAMS accidence and & improvement of virtual protype technology [M].Beijing:China Machine Press,2002:42-43. (in Chinese)

[3] 隋振華. 30炮支架結構分析及其優(yōu)化設計研究[D].南京:南京理工大學,2004:7-21.

SUI Zhen-hua. The analysis of the support and the research of the optimization design of 30mm gun[D]. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2004:7-21. (in Chinese)

[4] MICHOT S,PIRANDAANDF J. TRIVAU_DEY. Optimization of simplified models meshed with finite triangular plate elements[J]. Journal of Sound and Vibration, 2002, 5 (25): 20-22.

[5] BOOK W J. Recursive lagrangian dynamics of flexible manipulator arms[J]. International Journal of Robotics Research.1984,3(3)：87-101.