郝丙飛, 王紅巖, 芮 強(qiáng), 李善樂

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系 北京100072)

基于RecurDyn和MATLAB的坦克底盤-火炮系統(tǒng)動力學(xué)聯(lián)合仿真研究

郝丙飛, 王紅巖, 芮 強(qiáng), 李善樂

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系 北京100072)

為了對坦克底盤-火炮系統(tǒng)中火炮的振動特性進(jìn)行準(zhǔn)確描述，提出應(yīng)用多軟件聯(lián)合仿真的方法，分別基于RecurDyn和MATLAB建立坦克底盤多體動力學(xué)模型和炮控系統(tǒng)模型，二者相結(jié)合建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型；在穩(wěn)定工況下，對坦克底盤-火炮系統(tǒng)高低向俯仰角振動特性進(jìn)行仿真研究.結(jié)果表明：隨路面不平度的增大和坦克行駛速度的提高，火炮高低向誤差角變大，穩(wěn)定性變差；所建聯(lián)合仿真模型能夠很好的模擬火炮的高低向俯仰角振動，聯(lián)合仿真方法提高了模型的準(zhǔn)確度和計(jì)算效率，為坦克在不同行駛條件下進(jìn)行火炮射擊提供了定位范圍參考.

坦克底盤-火炮系統(tǒng)；聯(lián)合仿真；高低向誤差角；振動響應(yīng)

1 坦克底盤-火炮系統(tǒng)模型的建立

1.1 建立坦克底盤多體動力學(xué)模型

建立坦克底盤多體動力學(xué)模型主要以行動系統(tǒng)為主，其它分系統(tǒng)簡化為車體系統(tǒng)的部分質(zhì)量和慣量，行動系統(tǒng)主要包括主動輪、負(fù)重輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪以及曲臂型履帶張緊機(jī)構(gòu)、履帶和懸掛系統(tǒng)彈簧元件及阻尼元件等[7]，各部件之間通過特定運(yùn)動副、運(yùn)動關(guān)系連接.參考文獻(xiàn)[7]的建模分析方法，建立坦克底盤多體動力學(xué)模型如圖1所示.

圖1 坦克底盤多體動力學(xué)模型

1.2 坦克底盤多體動力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建坦克底盤模型的可信性，坦克低速1擋通過汽車試驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)測試裝置及試驗(yàn)路況如圖2所示，包括NI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動加速度傳感器、以及測量主動輪轉(zhuǎn)速的光電傳感器.

實(shí)車試驗(yàn)過程中，NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄振動加速度傳感器的振動信號和光電傳感器的轉(zhuǎn)速脈沖信號.試驗(yàn)過程中測得坦克主動輪轉(zhuǎn)速，加載到仿真模型主動輪上，驅(qū)動所建坦克底盤模型.

圖2 實(shí)車試驗(yàn)測試裝置及試驗(yàn)場地

圖3給出了實(shí)車試驗(yàn)過程中第1負(fù)重輪上方車體的垂向振動加速度的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果.通過對加速度信號基于welch法進(jìn)行功率譜估計(jì)，分析圖3(c)可得，仿真計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)的峰值頻率分別為1.61 Hz和1.56 Hz，該峰值頻率為底盤的垂向振動固有頻率[8].仿真與試驗(yàn)結(jié)果非常相近，表明仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了坦克底盤模型的可信性.

圖3 第1負(fù)重輪上方坦克車體上垂向振動加速度及其功率譜

1.3 建立坦克底盤-火炮系統(tǒng)模型

穩(wěn)定工況下，坦克在越野路面上行駛，火炮軸線相對瞄準(zhǔn)線(假定坦克行駛過程中瞄準(zhǔn)角不發(fā)生變化)在高低向會產(chǎn)生小角度的偏移，在炮控系統(tǒng)穩(wěn)定器的穩(wěn)定控制作用下，液壓系統(tǒng)驅(qū)動火炮消除偏差角.

圖4中給出炮控系統(tǒng)受力分析示意圖，將動力油缸簡化為一階彈簧阻尼系統(tǒng).等效剛度為Kd，等效粘性摩擦阻尼為Cd，驅(qū)動部件(活塞和活塞桿)簡化為一階質(zhì)量md.

圖4 火炮高低向俯仰角振動炮控系統(tǒng)受力分析模型

火炮高低向瞄準(zhǔn)角的范圍很小(-6°～14.5°)，火炮在耳軸處所受的縱向力驅(qū)動火炮沿前進(jìn)方向水平運(yùn)動，對火炮的穩(wěn)定精度影響較小[9]，忽略不計(jì).僅考慮耳軸的垂向作用力Fz；耳軸處等效粘性阻尼為Ctp；系統(tǒng)各部分的動力學(xué)方程如下.

驅(qū)動部分：

(1)

式中:zd為活塞驅(qū)動部分相對缸壁的移動距離;Xtp為油缸在搖架上的驅(qū)動點(diǎn)到耳軸中心的距離;θ1為火炮繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)角;θp為坦克底盤繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)角.

火炮部分：

(2)

式中:m為火炮的質(zhì)量;Z1為火炮的垂向振動位移;J1為火炮繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量;L1為火炮質(zhì)心到耳軸中心的距離.

耳軸與火炮質(zhì)心位置處的幾何約束關(guān)系為：

Zt=Z1-θ1L1.

(3)

以上動力學(xué)方程可以寫成廣義方程的形式：

(4)

式(4)中的質(zhì)量矩陣M1、阻尼矩陣C1、剛度矩陣K1和輸入矩陣I1等表達(dá)如下：

廣義方程的變量向量組和輸入向量分別為：

{θ}T={zdθ1}.

(5)

(6)

模型的狀態(tài)方程表達(dá)方式如下：

，

(7)

式中：

(8)

通過上述炮控系統(tǒng)的受力分析建立坦克底盤-火炮系統(tǒng)狀態(tài)方程，狀態(tài)空間輸入量分別為耳軸點(diǎn)所受的垂向力、耳軸點(diǎn)垂向振動加速度激勵(lì)和坦克底盤的俯仰角位移和角速度；輸出量分別為動力油缸活塞的位移及速度變量和火炮的俯仰角位移及角速度變量.

綜上理論分析，得到坦克底盤-火炮系統(tǒng)高低向閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示.

圖5 火炮高低向炮控系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖

2 聯(lián)合仿真平臺的建立

為了提高坦克底盤-火炮系統(tǒng)動力學(xué)仿真計(jì)算的效率，利用RecurDyn和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)，建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型.

建立聯(lián)合仿真模型最重要的是輸入輸出接口關(guān)系的確定.Recurdyn的輸入輸出是與MATLB建立的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，RecurDyn的輸出變量是進(jìn)入MATLAB控制系統(tǒng)的輸入變量，RecurDyn的輸入變量是從MATLAB反饋回來的控制變量.Recurdyn中自帶Recurdyn/Control模塊，將RecurDyn中建立的機(jī)械系統(tǒng)模型和MATLAB控制系統(tǒng)模型有機(jī)的結(jié)合起來，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真.

RecurDyn中主要完成坦克底盤動力學(xué)模型的建立和定義輸入輸出，MATLAB中主要完成控制系統(tǒng)建模和聯(lián)合仿真求解.

圖6 聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型

聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型將坦克底盤子系統(tǒng)與炮控子系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合生成坦克底盤-火炮系統(tǒng)模型，運(yùn)用MATLAB解算器進(jìn)行求解計(jì)算.

3 實(shí)例仿真分析

仿真工況：炮控系統(tǒng)開啟，D級典型路面，平均車速分別為10 km/h(1擋)、15 km/h(2擋)和25 km/h(3擋).火炮的瞄準(zhǔn)角為0°,穩(wěn)定工況下仿真結(jié)果及對比分析見圖7、8、9所示.

圖7中，對D級路面穩(wěn)定工況下坦克底盤和火炮的俯仰角振動特性進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)火炮的俯仰角位移和俯仰角速度相比坦克底盤振幅小很多，充分表明炮控系統(tǒng)對穩(wěn)定工況下的火炮具有良好的穩(wěn)定作用，驗(yàn)證所建坦克底盤-火炮系統(tǒng)模型的可信性.

圖7 D級路面2擋坦克底盤和火炮的俯仰振動對比

圖8中，D級路面、車速為15 km/h的工況下，圖(a)和圖(b)分別給出了仿真過程中火炮高低向誤差角隨時(shí)間的變化和關(guān)于高低向誤差角的基于welch法的功率譜估計(jì).觀察發(fā)現(xiàn)：火炮高低向誤差角在-4×10-3rad～4×10-3rad之間變化，誤差角范圍為炮長在該工況下進(jìn)行火炮射擊提供可以量化的判斷依據(jù).通過圖9(b)的分析可得，炮控系統(tǒng)是一個(gè)主特性為二階的線性系統(tǒng)，對高頻擾動的穩(wěn)定性較好，對2 Hz以下的低頻穩(wěn)定性較差，這與試驗(yàn)吻合較好[5].

圖8 典型工況下驅(qū)動系統(tǒng)和火炮的動力學(xué)特性

圖9(a)和(b)分別給出了兩種工況下火炮的高低誤差角對比結(jié)果，圖(a)表明：當(dāng)坦克以相同的速度15 km/h在D、E兩種不同的路面上穩(wěn)定行駛時(shí)，火炮高低向誤差角隨路面不平度的增大而增大.圖(b)表明:當(dāng)坦克以兩種不同擋位的速度在同樣的路面上行駛時(shí)，火炮高低向誤差角隨車速的提高而增大.

圖9 典型工況下火炮的高低向誤差角特性

4 結(jié) 論

基于Recurdyn和MATLAB/Simulink環(huán)境建立了坦克底盤-火炮系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，對火炮的振動特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論如下：

1)建立聯(lián)合仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算，交互性較好，接近物理實(shí)際，與近似線性化的數(shù)學(xué)解析模型相比精度較高，為以后物理樣機(jī)的試驗(yàn)研究提供了新的途徑.

2)穩(wěn)定工況下，炮控系統(tǒng)是一個(gè)主特性為二階的線性系統(tǒng)，對大于2 Hz高頻擾動的穩(wěn)定性較好，低頻穩(wěn)定性較差，仿真結(jié)果為火炮的射擊提供了量化的誤差角范圍.

3)路面不平度和行駛速度是影響火炮穩(wěn)定性的兩個(gè)重要因素，相同的行駛速度下，E級路況火炮的誤差角是D級路況的2倍左右.而同為D級路況條件，25 km/h速度下火炮的誤差角是10 km/h速度下火炮誤差角的3倍以上.充分表明火炮的穩(wěn)定性隨車速和路況成非線性規(guī)律變化.所建坦克底盤-火炮系統(tǒng)模型為火炮在不同工況下的穩(wěn)定性的評估提供了參考.

[1] 史力晨,王良曦,張兵志.坦克-火炮系統(tǒng)行駛間振動建模與仿真[J].兵工學(xué)報(bào),2003,24(4)：442-446.

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[4] 孫曉博,單東升,周啟煌，等.戰(zhàn)車炮控系統(tǒng)動力特性的仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2000(2):32-36.

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DynamicsCo-simulationofTankChassis-gunSystemBasedonRecurDynandMATLAB

HAO Bing-fei, WANG Hong-yan, RUI Qiang, LI Shan-le

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China)

In order to describe the vibration characteristics of the gun in a tank chassis-gun system, a method of the multi-software co-simulation is put forward. The joint simulation system model is established by the combination of a multi-body dynamics model for the chassis in RecurDyn and a control system model for the gun in MATLAB. The vibration characteristics of the pitch angles in the chassis-gun system are simulated under a steady condition. The results show that the pitch error angle of the gun becomes larger and its stability worse with the increase of both the road roughness and the tank speed. The established model can well simulate the pitch vibration of the gun, the combination method improves the accuracy and the computational efficiency, and the research idea provides a referenced mil range for gun firing under different driving conditions.

tank chassis-gun system; dynamics co-simulation; pitch error angle; vibration response

1009-4687(2017)04-0028-05

2017-05-11

郝丙飛(1992-)，男，碩士,研究方向?yàn)檐囕v工程.

TJ391.9

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