陳 宇,楊國來,謝 潤,于情波

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

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某坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)優(yōu)化與分析

陳 宇,楊國來,謝 潤,于情波

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

炮口振動(dòng)是影響坦克行進(jìn)間射擊精度的關(guān)鍵因素,為了減小彈丸出炮口時(shí)的炮口振動(dòng),基于多體動(dòng)力學(xué)的剛?cè)狁詈霞敖佑|碰撞算法,建立了考慮多個(gè)結(jié)構(gòu)非線性因素的坦克行進(jìn)間剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法,建立了坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)優(yōu)化模型。通過徑向基函數(shù)法與增廣拉格朗日乘子法的結(jié)合,對坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明,彈丸出炮口時(shí)的炮口振動(dòng)明顯降低,優(yōu)化方法是可行的,對于提高坦克行進(jìn)間射擊精度有一定的參考價(jià)值。通過改變車速以及路面等級對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行假設(shè)分析,說明了行進(jìn)間射擊優(yōu)化的必要性。

坦克;行進(jìn)間射擊;炮口振動(dòng);優(yōu)化

作為現(xiàn)代地面戰(zhàn)爭快速突擊的中堅(jiān)力量,行進(jìn)間射擊精度是評價(jià)坦克戰(zhàn)術(shù)性能的重要指標(biāo),而在影響射擊精度的各因素中,炮口振動(dòng)的影響是最大的。文獻(xiàn)[1～2]分析了坦克高速行進(jìn)射擊時(shí),路面激勵(lì)對火炮身管振動(dòng)角速度的影響及其與身管角度誤差的關(guān)系,通過外彈道模型仿真分析了身管速度對射擊精度的影響。文獻(xiàn)[3]建立并分析了一種考慮驅(qū)動(dòng)器和耳軸摩擦及車體運(yùn)動(dòng)影響的主戰(zhàn)坦克武器主動(dòng)控制系統(tǒng),旨在提高坦克射擊精度和首發(fā)命中率。文獻(xiàn)[4]評估了主戰(zhàn)坦克柔性身管的干擾抑制,并提出了一種應(yīng)用于兩自由度柔性身管反饋補(bǔ)償系統(tǒng)干擾抑制的有效方法,這有利于減小因柔性身管造成的射擊精度誤差。文獻(xiàn)[5]利用自適應(yīng)遺傳算法,優(yōu)化設(shè)計(jì)了靜止?fàn)顟B(tài)下某輪式自行高炮長連發(fā)射擊引起的炮口振動(dòng)。文獻(xiàn)[6]建立了考慮高低機(jī)傳動(dòng)間隙和緩沖制動(dòng)裝置的某榴彈炮虛擬樣機(jī),并對靜止發(fā)射過程中的炮口振動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[7～8]分別研究了包括路面不平度、柔性身管、耳軸軸承間隙等非線性因素對于自行火炮行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)的影響,說明了在火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)建模中考慮非線性因素的必要性。有關(guān)減小坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)的整體參數(shù)優(yōu)化研究鮮見報(bào)道。

本文基于RecurDyn軟件平臺(tái),建立了坦克剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,并同時(shí)考慮了身管襯瓦接觸、耳軸軸承接觸、路面不平度等多個(gè)非線性因素的影響,通過靈敏度分析選擇多個(gè)設(shè)計(jì)變量,以彈丸出炮口時(shí)的炮口高低角速度和角位移表征炮口振動(dòng),對坦克行進(jìn)間射擊的炮口振動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化分析,旨在提高坦克行進(jìn)間射擊精度并說明優(yōu)化方法的可行性。

1 坦克行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)建模

整個(gè)系統(tǒng)簡化為后坐部分、起落部分、回轉(zhuǎn)部分和底盤4個(gè)組成部分。在RecurDyn中利用模態(tài)文件將身管柔性化,并通過在身管末端建立的界面節(jié)點(diǎn)與炮尾固結(jié)。建立身管和前后襯瓦、耳軸與軸承之間的接觸碰撞[7]。其他所有構(gòu)件均簡化為剛體,并通過理想約束連接。全炮含260個(gè)剛體和1個(gè)彈性體,3個(gè)滑移鉸、39個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸、22個(gè)固定鉸及8個(gè)接觸。整個(gè)系統(tǒng)共有1 335個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)載荷分別通過函數(shù)擬合,并直接加載在適當(dāng)位置。數(shù)值計(jì)算時(shí),在坦克行駛穩(wěn)定后(約4 s),通過在身管末端界面節(jié)點(diǎn)施加炮膛合力模擬發(fā)射過程。假設(shè)坦克車速為20 km/h,選擇考慮左右輪相干性的D級三維路面,其通過諧波疊加法構(gòu)建,寫成路面譜文件后導(dǎo)入到模型中[9-10]。

圖2給出了坦克行駛速度曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),0～2 s時(shí)間段內(nèi)坦克處于加速階段,4 s時(shí)坦克處于勻速行駛狀態(tài)。

圖2 坦克行駛速度曲線

2 炮口振動(dòng)優(yōu)化建模與計(jì)算

2.1 優(yōu)化模型的建立

為了提高行進(jìn)間射擊精度,基于上一節(jié)建立的坦克行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,選擇合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,以炮口高低角位移和角速度表征炮口振動(dòng),結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,建立坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)優(yōu)化模型。

通過系統(tǒng)參數(shù)靈敏度分析,選定襯瓦配合間隙C1、前后襯瓦距離D1、襯瓦寬度D2、耳軸配合間隙C2、耳軸橫向位置改變X1、耳軸垂向位置改變Y1及炮尾質(zhì)心垂向位置Y2共7個(gè)參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,優(yōu)化目標(biāo)J1和J2分別要求彈丸出炮口時(shí)的炮口高低絕對角位移和角速度最小。

(1)

(2)

表1 坦克行進(jìn)間射擊系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)上下限取值

2.2 優(yōu)化流程

圖3給出了完整的優(yōu)化流程。首先采用離散拉丁方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),共選擇了23個(gè)采樣點(diǎn),再根據(jù)這些采樣點(diǎn),利用徑向基函數(shù)法[11]擬合出一個(gè)分析面,稱為元模型。采用這個(gè)元模型,在設(shè)計(jì)空間內(nèi)通過增廣拉格朗日乘子法搜索優(yōu)化解,確定最佳點(diǎn)。然后,將所選的優(yōu)化點(diǎn)代入原模型求其精確解。如果這個(gè)新的設(shè)計(jì)不滿足收斂準(zhǔn)則,分析結(jié)果和設(shè)計(jì)點(diǎn)將增加到原始的DOE表中,并重新構(gòu)造元模型,再次進(jìn)行優(yōu)化。上述優(yōu)化過程稱為具有元模型的有序近似優(yōu)化(SAOM)。

圖3 優(yōu)化流程圖

3 優(yōu)化結(jié)果與分析

經(jīng)過6次SAOM,最終得到了收斂的優(yōu)化結(jié)果。表2給出了優(yōu)化前后7個(gè)設(shè)計(jì)變量的比較值,表3給出了優(yōu)化前后彈丸出炮口時(shí)炮口高低絕對角位移|θz|和角速度|ωz|的比較值,Δθz和Δωz為優(yōu)化前后的變化率。

表2 優(yōu)化前后7個(gè)設(shè)計(jì)變量比較

表3 優(yōu)化前后彈丸出炮口時(shí)炮口振動(dòng)比較

圖4和圖5分別給出了優(yōu)化前后彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期炮口高低角位移及角速度變化的對比曲線。通過優(yōu)化前后的比較可以看出,在優(yōu)化后坦克行進(jìn)間射擊系統(tǒng)參數(shù)中,耳軸配合間隙與襯瓦的配合間隙增大,襯瓦寬度和前后襯瓦的距離都減小了。此外,優(yōu)化后耳軸位置向下移動(dòng)了14.29mm,向后移動(dòng)了12.38mm,炮尾質(zhì)心位置向下移動(dòng)了3.57mm。這使得整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)心向下移動(dòng),有利于減小炮口振動(dòng)。

圖4 炮口高低角位移變化曲線對比

圖5 炮口高低角速度變化曲線對比

從表3優(yōu)化前后彈丸出炮口時(shí)炮口振動(dòng)比較來看,優(yōu)化后得到的設(shè)計(jì)方案彈丸出炮口時(shí)炮口高低絕對角位移減小了83.8%,炮口高低絕對角速度減小了96.3%。因此,通過對優(yōu)化前后仿真結(jié)果的分析可知,優(yōu)化前彈丸出炮口時(shí)的炮口振動(dòng)較大,優(yōu)化后各系統(tǒng)參數(shù)得到了調(diào)整,炮口振動(dòng)有了明顯減小,這有利于提高坦克行進(jìn)間的射擊精度。

上述坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)優(yōu)化建模時(shí),限定了行駛工況(包括路面等級和車速),但不同行駛工況條件下,坦克受到的來自路面的激勵(lì)并不相同,因此,有必要討論優(yōu)化結(jié)果對于不同行駛工況的適應(yīng)性。表4給出了在不同行駛工況條件下,優(yōu)化前后彈丸出炮口時(shí)炮口振動(dòng)的比較。由計(jì)算結(jié)果可以看出,對于不同的行駛工況,優(yōu)化的效果并不相同,在某一工況下效果非常好的優(yōu)化結(jié)果,在另一種工況下,效果有可能會(huì)大打折扣,甚至?xí)蟹聪蛐Ч＿@是由于車體受到的來自路面的激勵(lì)不同,導(dǎo)致了炮口振動(dòng)的改變。這間接說明在對坦克行進(jìn)間炮口振動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),僅考慮靜止條件下的優(yōu)化是存在明顯不足的。

表4 不同行駛工況下優(yōu)化前后彈丸出炮口炮口振動(dòng)比較

4 結(jié)束語

本文建立了計(jì)及多個(gè)結(jié)構(gòu)非線性因素的坦克行進(jìn)間射擊炮口振動(dòng)優(yōu)化模型,對D級路面、車速20km/h的工況進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化效果明顯,且對于不同車速和不同等級路面有一定適應(yīng)性。但本文僅對坦克行進(jìn)間炮口振動(dòng)優(yōu)化問題進(jìn)行了初步的探討研究,在動(dòng)力學(xué)建模時(shí)尚未考慮彈炮耦合、雙穩(wěn)系統(tǒng)等因素,這是后續(xù)研究的重點(diǎn),還需要結(jié)合試驗(yàn)測試對所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上開展考慮多種行駛工況的坦克行進(jìn)間射擊精度多目標(biāo)優(yōu)化研究。

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Optimization and Analysis of Muzzle Vibration for Tank Firing on the Move

CHEN Yu,YANG Guo-lai,XIE Run,YU Qing-bo

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Muzzle vibration is the key factor influencing the firing accuracy for tank firing on the move.In order to reduce the muzzle vibration at the time of the projectile passing muzzle,a dynamic model considering multiple nonlinear-factor of multi-body system for rigid-flexible coupling tank on the move was established based on the rigid-flexible coupling and the contact impact arithmetic theories of multi-body dynamics.Combined with the optimum design theory,the muzzle vibration optimization model was established.Radial Basis Functions(RBF)and Augmented Lagrange Multiplier Method(ALMM)were used to solve the multi-objective optimization function for muzzle vibration.The optimization result shows that the muzzle vibration of projectile can be effectively reduced.The proposed optimization method is feasible,and it offers reference for improving the firing accuracy for tank on the move.By changing the speed and the road grade,the what-if analysis shows the necessity of the optimization for tank firing on the move.

tank;firing on the move;muzzle vibration;optimization

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11572158)

陳宇(1992- ),男,博士研究生,研究方向?yàn)榛鹋诎l(fā)射動(dòng)力學(xué)。E-mail:njustcheny@163.com。

楊國來(1968- ),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榛鹋诎l(fā)射動(dòng)力學(xué)。E-mail:yyanggl@mail.njust.edu.com。

TJ3

A

1004-499X(2016)04-0086-04