徐 鯤，李維嘉

（華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

艦炮后坐力試驗裝置強沖擊特性仿真分析

徐 鯤，李維嘉

（華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

艦炮后坐力試驗裝置是一種有效地替代實彈射擊的驗證裝置［1］。它能檢測包括由于設(shè)計不合理、強度不夠、原材料選擇不恰當(dāng)和工藝條件差等造成的損壞現(xiàn)象。艦炮后坐力試驗裝置所需要產(chǎn)生的用于試驗的能量，相對于真實的實彈驗證系統(tǒng)相當(dāng)小［2］。因此，相對于傳統(tǒng)的試驗，使用艦炮后坐力試驗裝置能夠有效地節(jié)省大量的成本。并且，艦炮后坐力試驗裝置能夠在短時間內(nèi)連續(xù)大量的使用，也縮減了驗證階段的時間，提高了驗證的效率。

1 艦炮后坐力試驗裝置的組成

艦炮后坐力試驗裝置如圖1所示。與傳統(tǒng)液壓油做功的方式不同，所采用的艦炮后坐力試驗裝置，是通過內(nèi)部充滿了高壓氮氣的柱塞缸為質(zhì)量塊提供動能。當(dāng)扳機液壓缸打開扳機時，柱塞缸內(nèi)的壓縮氮氣以膨脹做功的方式推動缸筒及連接在缸筒上的質(zhì)量塊做功，使缸筒及質(zhì)量塊達(dá)到所需要的動能，而后撞擊被試裝置。在試驗過程結(jié)束后，通過液壓裝置將缸筒及質(zhì)量塊拉回到初始位置并同時壓縮柱塞缸內(nèi)的高壓氮氣，為下一次試驗做好準(zhǔn)備。由于高壓氮氣做功的時候處于密閉的環(huán)境下，氮氣能夠重復(fù)地利用，相對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)裝置大幅降低成本，更加經(jīng)濟(jì)。

圖1 艦炮試驗裝置系統(tǒng)構(gòu)成

被試裝置是艦炮的后坐力裝置［3］。艦炮在射擊時，后坐力裝置在膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟孪蚝筮\動，帶著駐退機中的活塞桿一起運動，駐退機的液壓阻力使炮身的后坐運動減速。同時，后坐運動也使得復(fù)進(jìn)機工作腔中的氣體進(jìn)行壓縮，阻礙后坐運動；并在后坐運動結(jié)束時，推動炮身恢復(fù)到射擊前的位置。

為了模擬炮彈發(fā)射時對后坐力裝置的作用過程，即后坐力隨時間的變化曲線，缸筒及質(zhì)量塊與被試裝置的撞擊過程需要由緩沖裝置進(jìn)行實現(xiàn)。

緩沖器由活塞、缸筒以及缸筒內(nèi)部預(yù)充的超高壓氮氣（一般高于50 MPa）組成。缸筒內(nèi)部的壓力值，與后坐力呈正比關(guān)系。理論分析和試驗表明，容腔內(nèi)的壓力變化規(guī)律跟活塞的行程和預(yù)充氮氣的初始壓力有關(guān)?；钊男谐淘酱?，氮氣的初始壓力越小，得到的壓力曲線越平滑；反之，活塞的行程越小，氮氣的初始壓力越大，則得到的壓力曲線越尖銳。由于緩沖器在沖擊過程中內(nèi)部的壓力變化，直接反映沖擊力的作用特性，為了使試驗裝置的沖擊特性與炮彈發(fā)射時對后坐機構(gòu)的沖擊特性相一致，需要準(zhǔn)確地設(shè)定緩沖器內(nèi)部的初始壓力。以往對初始壓力的設(shè)定，常常通過試湊法，經(jīng)過多次沖擊實驗，進(jìn)行不斷修正逼近，最終獲得合適的氮氣初始壓力，效率比較低。通過對艦炮后坐力試驗裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，從理論上獲得滿足后坐力沖擊特性要求的氮氣初始壓力，并進(jìn)行試驗驗證，達(dá)到提高試驗效率的目的。

2 仿真建模與結(jié)果分析

使用ADAMS仿真軟件對艦炮后坐力試驗裝置進(jìn)行虛擬樣機建模，重點對質(zhì)量塊、緩沖器與被試裝置的沖擊過程進(jìn)行動力學(xué)分析［4］。

緩沖器內(nèi)部的氣體壓力、溫度和體積，在沖擊過程中呈現(xiàn)復(fù)雜的變化。為此，采用具有描述緩沖器內(nèi)部氣體狀態(tài)的AMESim仿真軟件，對ADAMS的動力學(xué)模型進(jìn)行完善。

2.1 ADAMS虛擬樣機的建模

虛擬樣機模型的建立主要包括3部分：創(chuàng)建部件、對部件施加約束、定義于作用在部件上的力。

艦炮后坐力試驗裝置沖擊過程的動力學(xué)模型如圖2所示。被試裝置的質(zhì)量為2 500 kg，初速度為0；緩沖器的缸筒的質(zhì)量定義為2 500 kg，缸筒和活塞的初速度為12 m／s。同時，給被試裝置和緩沖器添加沿X軸平移的運動副。

圖2 ADAMS動力學(xué)模型

在被受到?jīng)_擊的過程中，被試裝置受到氣壓式復(fù)進(jìn)機力Ffj和駐退機力φ的作用。復(fù)進(jìn)機力與復(fù)進(jìn)機的氣缸容積與活塞行程相關(guān)，駐退機力與駐退機的尺寸參數(shù)和活塞桿相對氣缸的速度相關(guān)，分別為：

V0為氣缸的初始容積；Ff0為氣缸的初始壓力；Af為氣缸的橫截面積；x1為活塞的相對位移；h為一常量，跟駐退機的結(jié)構(gòu)有關(guān)；v1為炮口速度；。被試裝置的加速度為：

M為被試裝置的質(zhì)量；a為被試裝置的加速度；F為沖擊力；f為常數(shù)摩擦力，由于摩擦力的影響較小，在運算中通常將其忽略［5］。

定義被試裝置受到的來自復(fù)進(jìn)機的阻力為SFORCE3和來自駐退機的阻力為SFORCE4。根據(jù)式（1）和式（2），復(fù)進(jìn)機力為SFORCE3，設(shè)定為250 000 N；SFORCE4的函數(shù)表達(dá)式為4790*VX（MARKER_4）**2，該表達(dá)式的參數(shù)4 790的取值與駐退機的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

緩沖器的活塞和缸筒分別受到了來自內(nèi)部的高壓氮氣的壓力為SFORCE1和SFORCE2，由于在整個沖擊過程中，ADAMS無法直接定義緩沖器的內(nèi)部受力情況。因此，為了能夠準(zhǔn)確地得到緩沖器內(nèi)部的壓力變化關(guān)系，需要使用AMESIM建立緩沖器的氣動模型。

2.2 緩沖器內(nèi)部壓力模型的建立

圖3為緩沖器的AEMSim系統(tǒng)模型，該模型中的2組Gas Data分別為空氣和氮氣。使用該模型的目的是為了獲得緩沖器內(nèi)部氣壓與活塞位移的關(guān)系。因此，必須保證活塞桿能夠以勻速對氣缸的氣體進(jìn)行壓縮。該模型借助于電機驅(qū)動滾珠絲桿帶動活塞桿勻速運動的方式，獲得緩沖器內(nèi)部氣壓與位移的關(guān)系。

圖3 AMESIM模型

2.2.1 緩沖器內(nèi)部壓力溫度方程

AMESim的氣動系統(tǒng)已經(jīng)充分地考慮了空氣的物理性質(zhì)和空氣的熱力學(xué)性質(zhì)，為緩沖器的準(zhǔn)確建模和系統(tǒng)仿真提供了依據(jù)。緩沖器在沖擊過程中壓力、體積和溫度的變化，由熱力學(xué)的相關(guān)方程描述為：

U為系統(tǒng)內(nèi)能；Q為系統(tǒng)吸收的熱量；W為工質(zhì)對外所做的功；Text為當(dāng)前溫度；T為初始溫度；K為氣體熱交換系數(shù)；A為熱交換面積；V為密閉系統(tǒng)的體積；p為氣體壓力。

假設(shè)單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能為u，對于理想氣體單位氣體的內(nèi)能為：

上述推導(dǎo)的壓力、溫度和體積的密閉氣體狀態(tài)方程試用各種密閉環(huán)境下的氣動模型，也是AMESIM氣動模型的理論依據(jù)。

2.2.2 AMESim建模與仿真結(jié)果

AMESim模型的建模步驟如下：

a.創(chuàng)建系統(tǒng)模型。創(chuàng)建電機、滾珠絲桿、帶質(zhì)量塊的液壓缸、位移傳感器、壓力傳感器和氣體等模塊，并連接各模塊。

b.設(shè)置參數(shù)。氣體2比熱比設(shè)置為1.3，表示該氣體為氮氣；將電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 000 r／min；滾珠絲桿的半徑設(shè)置為5／πmm，螺旋角設(shè)置為45°；設(shè)置帶質(zhì)量塊的氣壓缸的直徑為200 mm，容腔的初始壓力為17.6 MPa，質(zhì)量塊質(zhì)量為2 500 kg，氣缸行程為0.1 m，活塞初始位置為0.1 m，氣體列表參數(shù)為2。

c.仿真時間為0.1 s，仿真步長為0.000 1 s。

仿真后得到的氣缸容腔內(nèi)的壓力曲線如圖4所示。由于活塞設(shè)定是恒速運動，因此該曲線可表示為緩沖器內(nèi)部壓力與位移的相對關(guān)系。為了便于ADAMS調(diào)用，將AMESIM的仿真結(jié)果保存為數(shù)據(jù)模式，并定義文件名為FORCE.txt。

圖4 緩沖器內(nèi)部壓力曲線

2.2.3 ADAMS動力學(xué)模型的完善

在獲得了緩沖器內(nèi)部的超高壓力與壓縮位移之間的對應(yīng)關(guān)系后，調(diào)用ADAMS的spline函數(shù)，可以建立以活塞行程為自變量、緩沖器內(nèi)部壓力為因變量的樣條函數(shù)，具體過程如下：

a.在ADAMS軟件的單元菜單欄中找到創(chuàng)建樣條曲線的圖標(biāo)，選擇樣條函數(shù)的數(shù)據(jù)文件FORCE.txt。同時創(chuàng)建狀態(tài)變量x，其表達(dá)式為DX（MARKER_6）-DX（MARKER_7），其中，MARKER_6和MARKER_7分別為緩沖器的活塞和缸筒的標(biāo)記點。該狀態(tài)變量為緩沖器的活塞相對于缸筒的位移，定義其初始值為0，最大值為10 cm。另外，還要創(chuàng)建代表緩沖器的容腔體積的狀態(tài)變量V1和代表緩沖器的內(nèi)部壓力的狀態(tài)變量P1，將其Run- Time表達(dá)式分別修改為PI*（DX（MARKER_7）-DX（MARKER_6））*0.01、CUBSPL（x，0，F(xiàn)ORCE，0）*100000；修改定義在活塞和缸筒上創(chuàng)建緩沖器的內(nèi)部壓力SFORCE_1和SFORCE_2的表達(dá)式為VARVAL（P1）*0.01。

b.定義活塞和質(zhì)量塊、活塞與缸筒的接觸。被試裝置與緩沖器接觸時被試裝置在高速質(zhì)量塊的沖擊下進(jìn)行加速運動。在ADAMS中將碰撞力定義為：

懲罰因子k，也就是接觸剛度，通常于接觸的材料剛度和幾何等因素相關(guān)，設(shè)為默認(rèn)值；x為滲透深度，是用來衡量碰撞的2個物體的位移量；在艦炮后坐力試驗裝置的材料彈性恢復(fù)力一般選用三次函數(shù)型材料的恢復(fù)力，因此將力指數(shù)u定義為3；阻尼c定義為1.0×108［6］。

2.3 仿真結(jié)果分析

將仿真時間設(shè)置為0.03 s，仿真步數(shù)為500步，對沖擊過程進(jìn)行仿真，獲得緩沖器內(nèi)部的壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 緩沖器內(nèi)部壓力的仿真曲線與實測曲線

為了驗證緩沖器內(nèi)部壓力仿真分析的正確性，在同等工況下進(jìn)行了試驗測試。緩沖器內(nèi)部壓力的實際變化曲線如圖5中的實線所示。

從圖5可以看到，在初始壓力值都為17.6 MPa的情況下，在7.5 ms時，仿真模型中的緩沖器與被試裝置開始碰撞，仿真曲線的壓力值開始平滑的加速上升，在17.2 ms時，曲線的壓力值達(dá)到峰值為202.6 MPa，隨后仿真曲線加速開始回落，在27.2 ms時，仿真的壓力回復(fù)到初始壓力值17.6 MPa；實測曲線的壓力值在從8.5 ms開始加速上升，在17.0 ms時到達(dá)了壓力峰值，隨后壓力開始回落。由此得出以下結(jié)論：

a.實際緩沖器內(nèi)部的壓力開始上升的時間比仿真的曲線慢1 ms；到達(dá)壓力峰值的時間，測量曲線比仿真曲線慢0.2 ms；因此可以得出，實際緩沖器內(nèi)部壓力值的變化比仿真計算的壓力值略微滯后，但不明顯。

b.仿真曲線的壓力峰值為202.6 MPa，測量曲線的壓力峰值為200 MPa，兩者的誤差僅為1.3%，接近程度非常好。

c.實測曲線在24 ms時有一段震蕩波形，這是由于沖擊試驗完成后，復(fù)進(jìn)機的回復(fù)運動連續(xù)撞擊緩沖器所造成的余振。

綜上，仿真曲線和測量曲線的趨勢相同，而且誤差很小，可見，該仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

論述了艦炮后坐力試驗裝置的工作過程，并詳細(xì)分析了沖擊過程中的動力學(xué)特征，著重分析了緩沖器內(nèi)部高壓氮氣的狀態(tài)變化，并使用ADAMS和AMESim仿真軟件，建立了動力學(xué)仿真模型。仿真的結(jié)果表明：

a.作為氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)，氮氣在沖擊過程的狀態(tài)（壓力、溫度、比容）是發(fā)生變化的。AMESim軟件充分地考慮了氣體各種狀態(tài)的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確地為ADAMS提供緩沖器的內(nèi)部壓力模型。

b.基于ADAMS和AMESim所建立的動力學(xué)仿真模型，可以獲得仿真數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)高度一致的結(jié)果，為有效地設(shè)定緩沖器內(nèi)部氮氣壓力的初值提供了依據(jù)。

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［6］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

Simulation and Analysis of the Impulse Characteristics of Gun Recoil Experiment Device

XU Kun，LI Weijia
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

介紹了艦船后坐力試驗裝置的工作原理，分析了試驗裝置沖擊過程的動力學(xué)特征及緩沖器內(nèi)部超高壓力的工作特性。應(yīng)用動力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立了該裝置的動力學(xué)模型。針對緩沖器內(nèi)部超高壓力的工作特性，利用多學(xué)科仿真軟件AMESim所具有完善的氣動學(xué)仿真功能，求解了緩沖器內(nèi)部超高壓力與壓縮位移之間的對應(yīng)關(guān)系，完善了試驗裝置的動力學(xué)模型。最后，對緩沖器的沖擊特性進(jìn)行了仿真分析及試驗測試，緩沖器內(nèi)部超高壓力的實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合程度良好，驗證了所建立的動力學(xué)模型的正確性，為試驗裝置沖擊特性的參數(shù)設(shè)置打下了良好的基礎(chǔ)。

艦炮后坐力；射擊模擬；緩沖器；壓力

In this paper，it describes the working process of the recoil simulation device and analysis the process equipment，as well as the status of the extra high internal pressure of the buffer.A kinematics model of the simulation device is built by motion simulation software ADAMS and use AMESim to established the relationship between the pressure inside the buffer and the displacement of the rod.Finally，the internal pressure of the buffer during the impact of changes was measured.It verifies the correctness of the dynamic model established in this paper，and lay a good foundation for setting impact test device characteristics.

gun recoil；shooting simulation；buffer；pressure

TJ391；TP391.9

A

1001- 2257（2015）08- 0049- 04

徐 鯤 （1988－），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為船舶機電控制；李維嘉 （1964－），男，河南鄭州人，研究方向為水下機器人、液壓控制工程、艦艇與飛行器仿真等。

2015- 03- 19