鄧 威，毛保全，楊振軍，胡 濤

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

頂置武器站是可配備多種武器和不同組合的火力控制系統(tǒng)，可搭載于不同軍用車輛及平臺的模塊化武器系統(tǒng)［1］。對頂置武器站進行動力學(xué)仿真分析，能夠使工程人員全面掌握武器站發(fā)射過程中的受力及運動規(guī)律，從而為提高武器站射擊精度及穩(wěn)定性提供參考。

顯然，建立動力學(xué)模型是進行動力學(xué)仿真的前提，模型的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到仿真結(jié)果的可信度。然而，工程人員在建立動力學(xué)模型時，往往出于節(jié)省計算資源、縮短仿真時間的考慮，對動力學(xué)模型進行一定程度的簡化，尤其是忽略了一些非線性因素的影響：文獻［2］在建立某型通用機槍動力學(xué)模型時，將機匣相對于上架的俯仰運動簡化成旋轉(zhuǎn)副；文獻［3］則將將槍機與槍機框之間的平動和轉(zhuǎn)動運動簡化成圓柱副。

研究表明，這些材料非線性、接觸非線性因素已經(jīng)對武器系統(tǒng)動態(tài)發(fā)射過程產(chǎn)生了不可忽略的影響［4］，因此，在建立頂置武器站發(fā)射動力學(xué)模型時，有必要將這些非線性因素考慮進來。

1 結(jié)構(gòu)組成及建模特點

某頂置武器站主要包括車內(nèi)部分及上裝部分。其中車內(nèi)部分包括操縱手柄、顯示器、操縱臺和火控計算機等。上裝部分則包括武器系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)和炮塔系統(tǒng)等［5］。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在武器系統(tǒng)中，配置的主武器為1門30mm 鏈?zhǔn)阶詣优冢撆谧畲蟮奶攸c在于其自動機采用外部能源驅(qū)動，即通過電機驅(qū)動自動機活動機件。整炮具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、射擊精度高、壽命周期長等優(yōu)點。在該炮擊發(fā)前，火控計算機根據(jù)指揮員操縱指令，在雙路供彈機構(gòu)中通過彈種切換裝置選擇相應(yīng)彈種，并輸送至進彈口。同時，使用外能源的電機通過圓錐齒輪、鏈條、滑塊、主聯(lián)桿等一系列傳動機構(gòu)驅(qū)動炮閂系統(tǒng)復(fù)進，過程中完成推彈入膛、旋轉(zhuǎn)閉鎖，最后實施擊發(fā)。擊針擊發(fā)底火后，火藥燃氣一方面作用于彈丸底部推動彈丸在膛內(nèi)向前運動，另一方面作用于炮閂，推動自動機整體后坐。后坐過程中壓縮緩沖簧，緩沖簧在吸收后坐能量的同時，將后坐力通過搖架、耳軸、托架、座圈等部件，最終傳遞到車體上。

綜上所述，在建立該頂置武器站的發(fā)射動力學(xué)模型時，有以下幾個特點：

1）頂置武器站屬于模塊化武器系統(tǒng)，子系統(tǒng)多，零部件多，在建模時應(yīng)該做到有的放矢，適當(dāng)精細化關(guān)重件，簡化次要部件。

2）武器站發(fā)射時沖擊載荷劇烈，作用力傳遞路線長，主要受力部件發(fā)生彈性變形大，若只將其考慮成剛體，則容易造成仿真結(jié)果誤差較大，因此，在建模時應(yīng)將身管等主要受力部件考慮成柔性體。

3）武器站發(fā)射時主要活動部件間發(fā)生相對位移大，接觸碰撞劇烈，耦合作用明顯，在建模時還應(yīng)考慮這些接觸非線性因素的影響。

2 建立發(fā)射動力學(xué)模型

利用SolidWorks、ANSYS、ADAMS等軟件平臺建立頂置武器站發(fā)射動力學(xué)模型。通過Solid－Works建立頂置武器站整體幾何模型后，次要部件（如彈箱、機槍、導(dǎo)彈、觀瞄系統(tǒng)等）作為剛體直接導(dǎo)入ADAMS，關(guān)重件（如身管、彈丸、耳軸、托架等）則經(jīng)由ANSYS處理成柔性體后再導(dǎo)入ADAMS，最后對該剛?cè)峄旌夏Ｐ鸵徊⑦M行約束關(guān)系、射擊載荷等邊界條件的設(shè)置。總體流程如圖2所示。

2.1 建立幾何模型

根據(jù)設(shè)計圖紙，在三維實體建模軟件Solid－Works中建立該型頂置武器站整體幾何模型，如圖3所示。

2.2 建立柔性體

選擇其中身管、彈丸、支撐架、耳軸、托架等部件處理成柔性體。首先將該部件幾何模型導(dǎo)入ANSYS中進行材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建模態(tài)中性文件（MNF），然后將其作為柔性體導(dǎo)入ADAMS。模態(tài)中性文件創(chuàng)建流程如圖4所示，所創(chuàng)建的關(guān)重件有限元模型如圖5所示。

2.3 導(dǎo)入模型

將上述建立的模型一并導(dǎo)入ADAMS。由SolidWorks建立的整體模型通過＊X＿t格式導(dǎo)入ADAMS，作為剛體的形式存在；由ANSYS建立的模態(tài)中性文件通過ADAMS中的Rigid to Flex指令，導(dǎo)入并替換原有的剛體部件，從而實現(xiàn)柔性體的創(chuàng)建。

2.4 添加約束關(guān)系

約束關(guān)系體現(xiàn)了部件間的安裝及相對運動方式。該型頂置武器站采用自動機整體后坐的方式，搖架通過導(dǎo)軌與自動機上的4個凸起進行配合，在搖架前端安裝有支撐架，使得身管只能進行直線的往復(fù)運動。搖架中部安裝有1 對耳軸。耳軸一端通過花鍵與搖架配合，另一端分別固連彈箱、觀瞄系統(tǒng)；在搖架后端同時固連著機槍及導(dǎo)彈。同時，耳軸通過左右各兩對軸承與托架連接，耳軸與軸承內(nèi)圈固連，托架與軸承外圈固連，中間通過32個滾珠實現(xiàn)武器站起落部分的俯仰。此外，左右托架與炮床焊接成一個整體；上座圈與炮床通過螺栓固連，下座圈則與底盤固連，中間通過64個滾珠實現(xiàn)武器站整體的回轉(zhuǎn)。

為了考慮接觸非線性等大量的實際效應(yīng)，采用更為符合實際效應(yīng)的接觸副來描述部件間的相對運動，主要賦予身管與支撐架間、自動機與搖架間、耳軸軸承滾珠與內(nèi)外導(dǎo)軌間、上下座圈與滾珠間。

最終對武器站添加約束關(guān)系后的簡化拓?fù)潢P(guān)系如圖6所示，整體動力學(xué)模型如圖7所示。

2.5 施加載荷

武器站射擊過程中主動力為火藥燃氣壓力，一方面該壓力作用于彈丸底端推動彈丸在膛內(nèi)向前運動，另一方面作用于自動機的閂體上，推動自動機整體后坐?；鹚幦細鈮毫τ山?jīng)典內(nèi)彈道方程計算得到［6］：

上述5式分別為速度方程、運動方程、燃速方程、形狀函數(shù)和能量方程，式中：v為彈丸速度；m為彈丸質(zhì)量；φ為次要功系數(shù)；S為炮膛截面積；p為火藥氣體平均壓力；Z為火藥相對已燃厚度；ψ為火藥相對已燃部分；χ和λ為火藥形狀特性量；V為彈后空間容積；V0為藥室容積，ω為裝藥量；α為余容；f為火藥力。

在MATLAB中編程求解上述微分方程組，即可得到武器站單發(fā)壓力曲線。將該曲線作為test data導(dǎo)入ADAMS，通過AKISP函數(shù)即可擬合出載荷曲線，如圖8所示。連發(fā)射擊載荷則是在單發(fā)的基礎(chǔ)上，通過0.2s（對應(yīng)于300 發(fā)／min的射速）的時間間隔進行重復(fù)添加，如圖9所示。

此外，緩沖器彈簧力作為被動力存在于武器站發(fā)射過程中。這里采用平動彈簧阻尼（TSDA）模型進行描述［7］，其彈簧作用力為

式中：K為緩沖簧剛度，根據(jù)同類型緩沖器相關(guān)文獻，取值為600N／mm；X為緩沖簧時變長度；X0為緩沖簧初始長度；C為緩沖簧阻尼系數(shù)，取值為10N·s／mm。

3 模型驗證

對所建立的頂置武器站發(fā)射動力學(xué)模型進行驗證，主要分為兩步：軟件驗證及實測數(shù)據(jù)驗證。軟件驗證是指采用ADAMS中自帶的Model Verify功能對模型進行初步檢驗，該功能可以對所建立的動力學(xué)模型是否存在過約束、交涉等錯誤進行檢驗，從軟件的角度確保動力學(xué)仿真的順利進行。

在軟件驗證通過的基礎(chǔ)上，增加實測數(shù)據(jù)驗證，即通過對比實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)來確保模型的正確性。鑒于實驗室已有的資料儲備，選定武器站單發(fā)過程中最大后坐位移、最大后坐速度、彈丸出炮口速度、單側(cè)緩沖簧最大受力作為驗證指標(biāo)。實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 武器站單發(fā)射擊動態(tài)參數(shù)實測值與仿真值對比

從表1可知，實測結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均小于10%，所建立的發(fā)射動力學(xué)模型滿足工程分析的要求，確保了下一步進行算例仿真的模型正確性。

4 仿真算例及分析

由于炮口振動是影響武器站射擊精度的重要因素，因此選擇炮口振動的表征量——高低向線位移、高低向線速度、水平向線位移、水平向線速度作為待測指標(biāo)進行仿真計算。仿真工況為：3連發(fā)射擊、射角射向均為0°、射速為300 發(fā)／min，武器站與地面固連。仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知：

1）連發(fā)時，上一發(fā)彈丸發(fā)射引起的身管振動基本能在下一發(fā)彈丸發(fā)射前衰減完畢，從而保證了各發(fā)彈丸發(fā)射狀態(tài)的一致性，說明在該射頻下武器站的連發(fā)射擊性能良好。

2）在炮口振動的4 個表征量中，高低向線位移、線速度最大值分為別20.4mm、4.31m／s；水平向線位移、線速度最大值分別為7.5 mm、2.64 m／s。換言之，在相同指標(biāo)下高低向振動幅值要比水平向振動幅值大，這是由武器站的結(jié)構(gòu)特點及受力規(guī)律決定的，符合火炮發(fā)射的一般規(guī)律。

3）實際上本算例只是在簡化工況的情況下驗證了武器站射擊性能的優(yōu)越，但要想進一步貼近實際地考察武器站射擊性能，還應(yīng)該在武器站動力學(xué)模型中計及行進間路面擾動規(guī)律、底盤系統(tǒng)振動特性、火控系統(tǒng)穩(wěn)定特性等因素的影響。

5 結(jié)束語

筆者所建立的頂置武器站發(fā)射動力學(xué)模型，計及了部件彈性變形及接觸／碰撞等非線性因素的影響，客觀地反映了武器站的動態(tài)發(fā)射過程，并通過3連發(fā)的仿真算例，預(yù)測了武器站良好的連發(fā)射擊性能。為下一步完善邊界條件以全面預(yù)測、優(yōu)化武器站射擊性能打下良好的基礎(chǔ)。

（References）

［1］毛保全.車載武器技術(shù)概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：22－23.MAO Baoquan.Firing introduction of vehicle mounted weapon［M］.Beijing：Natinal Defense Industry Press，2009：22－23.（in Chinese）

［2］陳明，馬吉勝，賈長治.基于ADAMS的某型通用機槍動力學(xué) 建 模 與 仿 真［J］.系 統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報，2006，（7）：2046－2048.CHEN Ming，MA Jisheng，JIA Changzhi.Virtual prototyping of dual－purpose machine gun based on ADAMS and simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，（7）：2046－2048.（in Chinese）

［3］楊帆，張本軍，劉京生.某型通用機槍人槍系統(tǒng)建模與仿真［J］.四川兵工學(xué)報，2012，（1）：58－60.YANG Fan，ZHANG Benjun，LIU Jingsheng.Modeling and simulation of dual－purpose machine gun with human characteristics［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2012，（1）：58－60.（in Chinesee）

［4］曾晉春.車載式火炮剛?cè)狁詈习l(fā)射動力學(xué)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010：1－2.ZENG Jinchun.Study on the rigid－flexible couple launch dynamics of truck－mounted guns［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010：1－2.（in Chinese）

［5］徐振輝，毛保全，趙俊嚴(yán).遙控武器站功能融合設(shè)計思想［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2010，（1）：53－57.XU Zhenhui，MAO Baoquan，ZHAO Junyan.Function amalgamation design method of remotely－operated weapon station［J］.Journal of Academy of Armorel Force Engineering，2010，（1）：53－57.（in Chinese）

［6］朱攸長.彈道學(xué)［M］.北京：裝甲兵工程學(xué)院，1980.ZHU Youchang.Ballistics［M］.Beijing：Academy of Armorel Force Engineering，1980.（in Chinese）

［7］徐禮.頂置武器站發(fā)射動力學(xué)仿真與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［D］.北京：裝甲兵工程學(xué)院，2013.XU Li.Study on launch dynamics simulation and structural parameters optimization for overhead weapon stations［D］.Beijing：Academy of Armored Forces Engineering，2013.（in Chinese）