徐志遠(yuǎn)，葛建立，楊國(guó)來

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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影響炮口擾動(dòng)的火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化

徐志遠(yuǎn)，葛建立，楊國(guó)來

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：從減小炮口擾動(dòng)的角度出發(fā)，利用ADAMS軟件建立了某火炮發(fā)射過程的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，考慮了身管、搖架、上架的變形，通過靈敏度分析獲得了火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)炮口擾動(dòng)的影響強(qiáng)弱；結(jié)合靈敏度分析結(jié)果，聯(lián)合小生境遺傳算法與ADAMS軟件進(jìn)行了火炮動(dòng)力學(xué)的多目標(biāo)優(yōu)化分析，有效降低了炮口擾動(dòng)，對(duì)火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：炮口擾動(dòng)；剛?cè)狁詈希混`敏度分析；多目標(biāo)優(yōu)化

本文引用格式：徐志遠(yuǎn)，葛建立，楊國(guó)來.影響炮口擾動(dòng)的火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):45-48.

Citationformat:XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai.OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):45-48.

射擊密集度是火炮研制的重要指標(biāo)，而炮口擾動(dòng)是影響射擊密集度的重要因素。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)炮口擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，戎保等[1]對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法、求解策略等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概括和總結(jié)。曾晉春[2]基于多體動(dòng)力學(xué)、接觸/碰撞動(dòng)力學(xué)和數(shù)值計(jì)算等理論對(duì)某車載炮的剛?cè)狁詈辖＿M(jìn)行了研究。蔡文勇等[3]將遺傳算法和多剛體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了以炮口擾動(dòng)為目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。張俊飛[4]應(yīng)用有限元法建立了某牽引炮的彈炮耦合模型，并通過靈敏度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法對(duì)火炮結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了匹配與優(yōu)化。Krzysztof[5]提出了多體系統(tǒng)數(shù)值模擬的方法，并驗(yàn)證了該方法的可行性。陳世業(yè)[6]建立了系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合NSGAII遺傳算法求得對(duì)應(yīng)的Pareto解，為火炮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定參考。周樂等[7]和王飛等[8]建立了剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并分別對(duì)火炮的反后坐裝置結(jié)構(gòu)和射擊穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化研究。

本文以某牽引炮為研究對(duì)象，建立了以身管、搖架和上架為柔性體，炮尾、炮口制退器、下架等為剛體的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。并利用ADAMS/INSIGHT模塊進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析，找出對(duì)炮口擾動(dòng)影響較大的參數(shù)，然后應(yīng)用小生境遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化研究。

1　多體動(dòng)力學(xué)建模及總體結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

1.1火炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模

根據(jù)火炮的結(jié)構(gòu)組成和發(fā)射過程，將火炮簡(jiǎn)化為由身管、搖架、上架3個(gè)柔性體和炮尾、炮口制退器、下架等多個(gè)剛體組成的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。利用HYPERMESH對(duì)身管、搖架和上架進(jìn)行柔性體建模和模態(tài)分析，生成模態(tài)中性文件(.MNF文件)，ADAMS軟件可直接調(diào)用?；鹋诎l(fā)射過程建模時(shí)各部件約束關(guān)系和載荷：約束關(guān)系表現(xiàn)為各部件之間的連接關(guān)系；載荷主要考慮炮膛合力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、制退機(jī)力和平衡機(jī)力等，火炮發(fā)射時(shí)載荷可通過FORTRAN語言編程生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，嵌入火炮多體動(dòng)力學(xué)模型。襯瓦和身管，齒弧和高低齒弧進(jìn)行接觸建模。某牽引火炮全炮拓?fù)涫疽鈭D如圖1。

1.2火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

由于火炮系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難直接給出一組合適的設(shè)計(jì)參量，使其滿足戰(zhàn)術(shù)等指標(biāo)，這就需要對(duì)眾多的設(shè)計(jì)參量進(jìn)行匹配和研究。靈敏度是目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，充分反映了目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的依賴關(guān)系。利用靈敏度分析的方法對(duì)火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響情況，確定火炮總體結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，從而使火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配成為可能。

火炮的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括各部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效剛度和等效阻尼等。靈敏度分析之前，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化。然后，參考前期工作及相關(guān)文獻(xiàn)[9]，選取炮口制退器質(zhì)量、炮尾質(zhì)量、上架質(zhì)量和質(zhì)心位置、高低機(jī)的等效剛度和阻尼等16個(gè)參數(shù)作為因素，各因素水平設(shè)置為±10%。本文選用DOEResponseSurface創(chuàng)建矩陣，該方法主要用于確定多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)共同作用對(duì)響應(yīng)函數(shù)影響情況；試驗(yàn)設(shè)計(jì)類型選擇D-optimal，此法有利于從所有參數(shù)中篩選出對(duì)模型影響大的設(shè)計(jì)參數(shù)，因素與響應(yīng)的擬合關(guān)系選擇Quadration，試驗(yàn)次數(shù)為256。

表1　靈敏度分析結(jié)果

表2　設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置及角位移靈敏度分析結(jié)果

表2(續(xù))

綜合各子目標(biāo)的靈敏度分析結(jié)果選出對(duì)炮口擾動(dòng)影響較大的8個(gè)參數(shù)：下架質(zhì)量、下架z向質(zhì)心位置、炮尾質(zhì)量、炮口制退器質(zhì)量、炮尾x向質(zhì)心位置、前座盤彈簧剛度系數(shù)、前襯瓦x向位置和后襯瓦x向位置。

2　炮口擾動(dòng)優(yōu)化分析

2.1設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)

以上文選取的8個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。因炮口擾動(dòng)影響著彈丸的起始擾動(dòng)，而彈丸起始擾動(dòng)又直接影響著射擊密集度。因此，在參考文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上選取對(duì)彈丸起始擾動(dòng)影響較大的炮口y向線速度v、炮口z向角位移θ、炮口y向角速度ω和炮口y向位移s作為子目標(biāo)，并賦予各子目標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，并對(duì)各子目標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。歸一化的總目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式(1)中：s0、v0、θ0、ω0分別為初始值，c1、c2、c3、c4為加權(quán)系數(shù)，取值分別為0.2，0.25，0.25，0.3，且c1+c2+c3+c4=1。炮口y向位移s對(duì)射擊密集度影響較小，因此權(quán)重系數(shù)最小。

適應(yīng)度函數(shù)：

(2)

2.2遺傳算法

本文采用小生境遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。小生境遺傳算法是在遺傳算法的原有結(jié)構(gòu)上引入小生境技術(shù)，不僅保持了原遺傳算法的特點(diǎn)，還維持了群體的多樣性，提高了遺傳算法處理多峰值優(yōu)化問題的能力，其全局尋優(yōu)能力和收斂速度更適合于復(fù)雜函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化問題[9-10]。

通過FORTRAN對(duì)數(shù)值計(jì)算語言進(jìn)行編寫，完成了ADAMS的二次開發(fā)應(yīng)用。優(yōu)化時(shí)，讀取原始adm文件，修改設(shè)計(jì)變量寫入修改后的adm文件中，調(diào)用修改后的adm文件、bat文件(批處理文件)和acf文件(ADAMS/SOLVER計(jì)算控制文件)，聯(lián)合ADAMS/SOLVER進(jìn)行仿真運(yùn)算，并獲得仿真結(jié)果。在運(yùn)行過程中將根據(jù)所要求解問題的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，從而對(duì)由多個(gè)解構(gòu)成的種群進(jìn)行評(píng)估、選擇、交叉和變異；同時(shí)在經(jīng)過多代繁殖后，把適應(yīng)度值最大的個(gè)體作為所求解問題的最優(yōu)解。數(shù)值計(jì)算過程如圖2所示。

圖2　數(shù)值計(jì)算框圖

2.3優(yōu)化結(jié)果與分析

小生境遺傳算法(NPGA)與ADAMS聯(lián)合優(yōu)化可以得出多組優(yōu)化方案，選取其中最優(yōu)的一組優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后的曲線變化如圖3—圖6所示。

圖3　炮口z向角位移優(yōu)化前后曲線對(duì)比

圖4　炮口y向線速度優(yōu)化前后曲線對(duì)比

圖5　炮口y向角速度優(yōu)化前后曲線對(duì)比

圖6　炮口y向位移優(yōu)化前后曲線對(duì)比

優(yōu)化目標(biāo)角位移θ/(°)線速度v/(mm·s-1)角速度ω/(rad·s-1)位移s/mm優(yōu)化前-0.0228-185.910511.617-1.532優(yōu)化后-0.0178-106.52213.8053-0.956變化率/%21.842.767.237.6

對(duì)比圖3—圖6可以看出，優(yōu)化后的角位移θ、線速度v、角速度ω、位移s的最值及出炮口瞬間的值都比優(yōu)化前有所降低；圖4—圖5隨著時(shí)間的增加，線速度和角速度的優(yōu)化效果更加明顯，優(yōu)化后的曲線比優(yōu)化前的變化趨勢(shì)更平緩，優(yōu)化值也明顯降低。

由表3可知，彈丸出炮口瞬間的角位移θ、線速度v、角速度ω、位移s的幅值均有所減小，其中角速度ω的優(yōu)化效果最為明顯，比優(yōu)化前降低67.2%，而其他3個(gè)子目標(biāo)的值也都降低了20%以上，由此可以說明本文的優(yōu)化方法是可行的。

3　結(jié)論

本文建立了某炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析，篩選出了8個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，并利用小生境遺傳算法對(duì)炮口擾動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化分析。對(duì)比彈丸出炮口前和出炮口瞬間的炮口擾動(dòng)情況，結(jié)果表明優(yōu)化后的炮口擾動(dòng)值比優(yōu)化前明顯降低，充分說明了該方法的可行性。另外，本文僅從理論的角度探討了火炮總體結(jié)構(gòu)參量的優(yōu)化情況，為保證優(yōu)化結(jié)果的可信度，最好與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.010

收稿日期：2015-12-26；修回日期：2016-01-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ47076508)

作者簡(jiǎn)介：徐志遠(yuǎn)(1989—)，男，碩士研究生，主要從事火炮結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。 通訊作者：葛建立(1980—)，男，博士研究生，碩士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、火炮動(dòng)力學(xué)仿真、計(jì)算固體力學(xué)等研究。

中圖分類號(hào)：TJ3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0045-04

OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance

XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:A rigid-flexible coupling model of a gun, considering the deformation of the barrel, cradle and carriage, was established in ADAMS to study the optimization of muzzle disturbance. The overall structure parameters of gun muzzle disturbance were identified through sensitivity analysis. The gun dynamics optimization was performed by combining niche genetic algorithm and ADAMS software, and the muzzle disturbance was effectively reduced. This work is valuable for the structural design and dynamic analysis of guns.

Key words:muzzle disturbance; rigid flexible coupling; sensitivity analysis; multi-objective optimization