張金忠，蘇忠亭，徐 達(dá)，趙富全

（裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072）

步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型修正

張金忠，蘇忠亭，徐 達(dá)，趙富全

（裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072）

為提高自動(dòng)炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型精度，基于實(shí)彈射擊試驗(yàn)建立支持向量機(jī)響應(yīng)面，對(duì)仿真模型進(jìn)行了修正。應(yīng)用有限元分析方法建立了雙炮身管結(jié)構(gòu)和炮塔結(jié)構(gòu)有限元模型，基于武器系統(tǒng)各部件間的約束關(guān)系建立了步兵戰(zhàn)車剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型；基于相同邊界條件，選取自動(dòng)炮連發(fā)射擊中典型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性搭建了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)；針對(duì)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，引入支持向量機(jī)響應(yīng)面方法對(duì)步兵戰(zhàn)車剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了修正。修正結(jié)果表明，基于支持向量機(jī)響應(yīng)面的模型修正方法大幅提高了自動(dòng)炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型的精度，更準(zhǔn)確地反映了自動(dòng)炮射擊過程中的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。

步兵戰(zhàn)車；自動(dòng)炮武器系統(tǒng)；發(fā)射動(dòng)力學(xué)；仿真

某型步兵戰(zhàn)車選用小口徑自動(dòng)炮作為主炮的輔助武器系統(tǒng)，主要用于壓制或殺傷對(duì)戰(zhàn)車威脅的有生力量，殺傷輕裝甲目標(biāo)，以及對(duì)空作戰(zhàn)。由于自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射擊時(shí)條件惡劣，撞擊劇烈，受載復(fù)雜，影響因素多，且該新型步兵戰(zhàn)車列裝部隊(duì)時(shí)間短，對(duì)自動(dòng)炮射擊精度的影響因素缺乏深入研究，在部隊(duì)實(shí)彈射擊時(shí)連發(fā)射擊密集度差，射彈散布非常大。部隊(duì)迫切需要掌握步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮影響射擊精度的主要技術(shù)狀態(tài)因素［1］。應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型是解決上述問題主要技術(shù)手段，而自動(dòng)炮武器系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性，使得建立發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型比較復(fù)雜，定義的大量的接觸能否反映真實(shí)的零部件載荷傳遞關(guān)系還有待進(jìn)一步研究，發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型具有一定的誤差，模型的正確性和有效性無法得到根本保證。

模型修正技術(shù)是近幾十年來工程界發(fā)展的熱點(diǎn)問題之一［2］，為提高自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確度，需要對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修正。對(duì)于定義接觸比較多的自動(dòng)炮武器系統(tǒng)，采用參數(shù)修正方法比較有效。參數(shù)修正方法主要有簡(jiǎn)約梯度法、多項(xiàng)式回歸法、徑向基函數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［3］。筆者提取對(duì)模型準(zhǔn)確度影響較大的參數(shù)，應(yīng)用徑向基函數(shù)響應(yīng)面理論，根據(jù)自動(dòng)炮停止間射擊過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)修正，使動(dòng)力學(xué)模型更加反映實(shí)際，提高工程應(yīng)用價(jià)值。

1 步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

由自動(dòng)機(jī)工作過程與動(dòng)力關(guān)系，作如下假設(shè)：1）雙炮身管、炮塔為柔體，其余作剛性處理。2）忽略路面不平度影響［4］。

3）不計(jì)彈炮耦合、動(dòng)力系統(tǒng)、供輸彈系統(tǒng)振動(dòng)影響，將供輸彈機(jī)構(gòu)、火控系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等部件簡(jiǎn)化為配重，將質(zhì)量差值進(jìn)行補(bǔ)償。

4）邊界條件為主動(dòng)輪制動(dòng)，懸掛不閉鎖，高低射角25°、方向射角0°、常溫穿甲彈射擊。

1.2 身管炮塔有限元模型

在Pro／E三維實(shí)體建模軟件中建立雙炮結(jié)構(gòu)和炮塔結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，適當(dāng)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，為控制網(wǎng)格劃分效果和計(jì)算精度，應(yīng)用Patch Conforming方式劃分網(wǎng)格，得到如圖1所示的有限元模型。

1.3 步兵戰(zhàn)車剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型

在ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立包含自動(dòng)炮系統(tǒng)、主炮、炮塔、炮塔座圈、車體、履帶系統(tǒng)的整車剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，自動(dòng)炮系統(tǒng)和炮塔武器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ凸灿?個(gè)柔性體、428個(gè)剛體和2 277個(gè)自由度。

圖2中，H1為固定副；H2為旋轉(zhuǎn)副；H3為接觸副；H4為移動(dòng)副；H5為彈簧。

2 武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型修正

2.1 設(shè)計(jì)變量

根據(jù)步兵戰(zhàn)車武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型建立過程中進(jìn)行的簡(jiǎn)化和對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響因素的分析，確定影響武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型的主要因素有：搖架與耳軸接觸剛度、高低機(jī)齒輪齒弧接觸剛度、緩沖器與搖架接觸剛度、自動(dòng)炮身管與緩沖器接觸剛度、閂體與炮尾接觸剛度和連接套筒與自動(dòng)炮身管接觸剛度，初始值均設(shè)為默認(rèn)值100 kN／mm，變化范圍均為10～1 000kN／mm。

在發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型中，為不失一般性，選擇炮塔上左前、右前、左后、右后、自動(dòng)炮炮尾垂向、炮尾水平、主炮炮口垂向和水平8個(gè)節(jié)點(diǎn)加速度添加虛擬measure，由于是連發(fā)射擊，加速度信號(hào)的時(shí)域特征更能反映射擊過程中結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況，以主炮炮口測(cè)點(diǎn)為例，自動(dòng)炮4連發(fā)射擊仿真中垂向加速度如圖4所示。

2.2 自動(dòng)炮實(shí)彈射擊試驗(yàn)

針對(duì)步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮停止間射擊過程中結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，采用PXI設(shè)備結(jié)合4472B8通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊對(duì)自動(dòng)炮實(shí)彈射擊過程中炮塔和身管振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)。由于自動(dòng)炮炮口測(cè)試?yán)щy，而基于步兵戰(zhàn)車的雙炮結(jié)構(gòu)，主炮炮口與自動(dòng)炮炮口采用連接套筒相連接，因此主炮的振動(dòng)特性一定程度上也能反映自動(dòng)炮的振動(dòng)特性。因此對(duì)于自動(dòng)炮的炮口擾動(dòng)，可應(yīng)用主炮炮口代替自動(dòng)炮炮口進(jìn)行測(cè)試。搭建測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

應(yīng)用LabVIEW軟件編寫測(cè)試程序，對(duì)自動(dòng)炮停止間射擊過程結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域信號(hào)［5］，限于篇幅，給出主炮炮口垂向位置測(cè)點(diǎn)加速度曲線如圖6所示。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

定義仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的相似度［6］：

式中：cov（x，y）為x，y的協(xié)方差，D（x）、D（y）分別為x，y的方差。cxy越大，模型越準(zhǔn)確。求解各測(cè)點(diǎn)仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度，如表1所示。

表1 仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度

由表1可以看出，自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真模型各測(cè)點(diǎn)仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度較低，均值為0.66，仿真模型需要優(yōu)化。

定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為8個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)加速度曲線的相似度的均值：

式中：φf、φt分別為仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線。

2.4 支持向量機(jī)響應(yīng)面模型修正算法

為統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量量綱，對(duì)剛度系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素取5個(gè)水平，建立正交表L25＿5＿6。根據(jù)正交表L25＿5＿6，在ADAMS軟件中進(jìn)行25次仿真試驗(yàn)。

在步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型中，炮塔、主炮炮口、自動(dòng)炮炮尾對(duì)應(yīng)位置添加加速度measure，得出8個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度功率譜與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)加速度功率譜曲線的相似度與設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)關(guān)系的樣本集為：

其中xi為各水平待訓(xùn)練樣本，xi∈Rd，yi∈R為加速度功率譜密度曲線相似度，該樣本集用以建立響應(yīng)面模型。

對(duì)式（3）引入變換：

根據(jù)支持向量機(jī)理論，支持向量機(jī)回歸可描述為

式中：Φ（x）表示映射函數(shù)。系數(shù)w和偏置量b可以由以下風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)表示［7］：

引入正的松弛變量ξi，ξi＊，方程（6）轉(zhuǎn)化為以下優(yōu)化問題：

將此優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成其對(duì)偶問題：

根據(jù)Kuhn-Tucker條件，只有一部分支持向量系數(shù)（αi-）≠0，其他非支持向量系數(shù)（αi-）＝0。支持向量機(jī)回歸可進(jìn)一步表示為：

式中：K（xi，xj）＝Φ（xi）·Φ（xj）為滿足Mercer定理的核函數(shù)；αi和α＊i為L(zhǎng)agrange乘子。

2.5 優(yōu)化計(jì)算

選取高斯徑向基函數(shù)為核函數(shù)，設(shè)K（xi，xj）＝exp（-g‖xi-xj‖2），代入式（9），對(duì)Matlab中的支持向量機(jī)工具箱LS＿SVMlab進(jìn)行編程，構(gòu)建支持向量回歸機(jī)，對(duì)25次發(fā)射動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的輸入條件和輸出結(jié)果代入支持向量回歸機(jī)求得支持向量系數(shù)αi、和b，經(jīng)過調(diào)試，調(diào)整核函數(shù)寬度σ2＝5和錯(cuò)分懲罰因子C＝1 029，構(gòu)造的響應(yīng)面模型如圖7所示。

對(duì)圖7所示的響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出優(yōu)化結(jié)果為cxy＝0.885 84，各設(shè)計(jì)變量取值：

搖架與耳軸接觸剛度428 621N／mm、高低機(jī)齒輪齒弧接觸剛度999 994N／mm、緩沖器與搖架接觸剛度693 723N／mm、自動(dòng)炮身管與緩沖器接觸剛度10 008N／mm、閂體與炮尾接觸剛度376 106N／mm、自動(dòng)炮身管與連接套筒接觸剛度54 291N／mm。為驗(yàn)證修正模型準(zhǔn)確性，將修正后各設(shè)計(jì)變量導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得出主炮炮口垂向位置測(cè)點(diǎn)加速度曲線如圖8所示。

求解各測(cè)點(diǎn)優(yōu)化后仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度如表2所示。

表2 仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度

由圖8和圖6對(duì)比及表2可以看出，自動(dòng)炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真模型優(yōu)化后各測(cè)點(diǎn)仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線相似度均值為0.87，達(dá)到了模型修正的效果。

3 結(jié) 論

筆者基于實(shí)彈射擊試驗(yàn)和支持向量機(jī)響應(yīng)面修正算法對(duì)某新型步兵戰(zhàn)車自動(dòng)炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了修正。經(jīng)過修正，各測(cè)點(diǎn)加速度相似度均值由0.66變?yōu)?.87，表明支持向量機(jī)響應(yīng)面模型修正算法有效提高了自動(dòng)炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確度，使簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型更加真實(shí)的反映武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，為保證發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型的精度提供了基礎(chǔ)條件，支持向量機(jī)響應(yīng)面修正方法可推廣至其他武器裝備，有利于工程應(yīng)用。

（References）

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Firing Dynamics Model Updating of Automatic Gun Weapon System in Certain Infantry Combat Vehicle

ZHANG Jin-zhong，SU Zhong-ting，XU Da，ZHAO Fu-quan
（Department of Arms Engineering，Armored Force Engineering Academy，Beijing 100072，China）

The automatic gun firing dynamics model was built up and the simulation model was updated by use of the support vector machine response surface method based on the actual firing experiment so as to analyze the influence factor of firing precision.The finite element models of the gun barrel structure and turret structure were established by means of finite element analysis method，and the rigid-flexible coupled firing dynamics models of the infantry combat vehicle were set up based on the restricted relationship between components and joints of the weapon system.The test system was established and the actual firing experiment was carried out by use of picking up the typical structure vibration characteristics in the burst firing of automatic gun based on the same boundary conditions.Aimed at the errors between the simulation data and the test data，the automatic gun firing dynamics model was updated.The updating results showed that the model updating method can increase the precision of firing dynamic model and more accurately reflect the framework dynamic characteristics of infantry combat vehicle automatic gun during the course of firing.

infantry combat vehicle；automatic gun weapon system；firing dynamics；simulation

TJ301

A

1673-6524（2014）01-0056-05

2013-03-22；

2013-07-01

張金忠（1967-），男，碩士，教授，主要從事武器系統(tǒng)測(cè)試與動(dòng)力學(xué)仿真研究。E-mail：suzhongting＠yahoo.com.cn