張金忠，劉曉峰，岳宇辰，謝 超

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.解放軍69236部隊，新疆 沙灣 832106）

0 引言

彈鏈在自動炮發(fā)射過程中的運動和受力非常復(fù)雜，一般情況下存在兩類碰撞：一類是內(nèi)碰即彈鏈節(jié)之間存在著相對運動而造成的碰撞；一類是外碰即彈鏈與導(dǎo)軌間的碰撞，兩類碰撞都會消耗能量，對供彈阻力產(chǎn)生影響，并通過撥彈滑板傳給自動機的基礎(chǔ)構(gòu)件（身管），對自動機的動作產(chǎn)生影響，從而影響自動炮的射速。筆者針對上述問題，利用多體動力學(xué)的相關(guān)知識，以采用炮身長后坐式自動機的自動炮為例，建立了自動炮的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，研究了在一個射擊循環(huán)過程中彈鏈供彈機構(gòu)對自動炮射速的影響。

1 自動炮射速理論分析

炮身長后坐式自動炮是利用身管長行程后坐產(chǎn)生的能量來實現(xiàn)連發(fā)射擊。自動炮在后坐過程中，身管作為基礎(chǔ)構(gòu)件，和炮閂首先克服復(fù)進(jìn)簧的阻力，當(dāng)后坐到一定距離的情況下，開始接觸并壓縮緩沖簧，克服兩者阻力繼續(xù)進(jìn)行后坐。在復(fù)進(jìn)過程中，身管和炮閂首先在緩沖簧力和復(fù)進(jìn)簧力推動下開始復(fù)進(jìn)，而后炮閂因碰撞自動阻鐵而停止運動，炮身繼續(xù)復(fù)進(jìn)，復(fù)進(jìn)到位時，自動阻鐵解脫，致使炮閂在復(fù)進(jìn)簧的作用下復(fù)進(jìn)到初始位置，完成循環(huán)［1］。

在自動炮射擊循環(huán)過程中，身管和閂體的后坐運動過程承受急劇變化的火藥氣體壓力、緩沖簧力、復(fù)進(jìn)簧力和供彈阻力，運動劇烈、時間較短，且身管的質(zhì)量相對閂體較大，身管的加速度是影響后坐過程的主要因素，后坐運動時間約占整個循環(huán)時間的21%。自動炮身管受到緩沖簧力的作用而進(jìn)行復(fù)進(jìn)運動，但是由于身管要帶動供彈機構(gòu)供彈，供彈阻力會對身管的復(fù)進(jìn)產(chǎn)生一定的影響，供彈阻力和緩沖簧力是影響身管復(fù)進(jìn)的主要因素，身管復(fù)進(jìn)的時間約占整個循環(huán)時間的41%。閂體受到復(fù)進(jìn)簧的作用力而進(jìn)行復(fù)進(jìn)，閂體的質(zhì)量相對較小，復(fù)進(jìn)簧是影響閂體復(fù)進(jìn)的主要因素，閂體復(fù)進(jìn)的時間約占整個循環(huán)時間的38%。因此，供彈阻力在自動炮的后坐復(fù)進(jìn)過程中，占有較大比重，會對自動炮的射速產(chǎn)生影響。

2 供彈阻力分析

彈鏈?zhǔn)艿綋軓椈宓睦ψ饔靡来螕軓梺磉M(jìn)行供彈，此時彈鏈就會對撥彈滑板產(chǎn)生反作用力，影響自動炮的正常運動。彈鏈在供彈過程中，彈帶的運動十分復(fù)雜，很難對彈帶的運動進(jìn)行精確地分析，一般需要進(jìn)行簡化，簡化后的模型如圖1所示：

該彈帶模型將彈丸和彈鏈節(jié)作為一個整體并視為剛體，并考慮彈鏈節(jié)之間的間隙，剛體之間用無質(zhì)量的彈簧（代表彈鏈節(jié)的彈性）和阻尼器（彈鏈節(jié)與供彈機構(gòu)的摩擦和撞擊的能量損失）相連［2-3］。設(shè)彈簧的剛度系數(shù)用k表示，相鄰彈鏈節(jié)之間的間隙用δ表示，彈鏈節(jié)之間的等效阻尼系數(shù)用c表示（由實驗得到）。用廣義坐標(biāo)q0，q1，…，qn表示彈鏈節(jié)的水平位移，撥彈滑板的撥彈速度為v，如圖2所示。則單個彈鏈節(jié)的運動微分方程為：

彈性力在間隙消除前等于零，在間隙消除后與相對位移成正比，則：

彈帶在運動過程中與導(dǎo)引產(chǎn)生的摩擦力與彈鏈節(jié)的重力成正比，則有下式：

式中：f為摩擦系數(shù)。g為重力加速度，sgn（）為符號函數(shù)。

阻尼力與相對速度成正比，有：

在綜合考慮彈鏈節(jié)和導(dǎo)軌的條件下，彈帶系統(tǒng)的運動方程可以寫成如下所示的矩陣表達(dá)式：

3 自動炮剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

3.1 基本假設(shè)

1）火炮身管視為柔性體，其他構(gòu)件視為剛體；

2）忽略彈炮耦合等非線性因素的影響；

3）不考慮外界因素的影響。

3.2 身管有限元模型的建立

為準(zhǔn)確分析火炮射速影響因素，需要建立準(zhǔn)確的柔性身管模型。首先在SOLIDWORKS中準(zhǔn)確建立自動炮身管的三維實體模型，考慮到劃分網(wǎng)格的難易程度和計算量，忽略對身管影響很小的倒角、圓角等結(jié)構(gòu)，將模型進(jìn)行簡化并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，并定義各部件彈性模量E=2e11 Pa，泊松比 σ=0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3［4-5］。對自動炮身管采用掃掠法（Sweep）來劃分網(wǎng)格，得到火炮身管有限元模型，如下頁圖3所示。

3.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

將在SOLIDWORKS中建立的自動炮模型導(dǎo)入ADAMS中，并進(jìn)行適當(dāng)簡化，添加相關(guān)約束，施加一定載荷，建立自動炮的多剛體動力學(xué)模型。而后將身管的有限元模型生成.mnf格式文件，導(dǎo)入ADAMS中，用來代替剛性身管，建立自動炮的剛?cè)狁詈夏Ｐ停?］，如圖4所示，各部件的連接約束關(guān)系如圖5所示。

3.4 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷尿炞C

為檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可行性，將建好的模型進(jìn)行仿真得到的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，圖6為部隊反饋的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比。從圖中可以看到，模型仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，可以用模型進(jìn)行下一步的仿真測試。

4 動力學(xué)仿真分析

對自動炮在高低射角為0°，方位射角為0°，單發(fā)射擊的條件下，進(jìn)行仿真。得到在有無供彈阻力的身管運動情況如圖7所示，閂體運動情況如圖8所示。

從圖7可以看出，供彈阻力在自動炮身管后坐過程中對身管的運動幾乎沒有影響，在身管從復(fù)進(jìn)開始到結(jié)束整個過程中使身管的運動產(chǎn)生一定的滯后。從圖8可以看出，供彈阻力在從閂體開始后坐到閂體復(fù)進(jìn)碰到自動阻鐵而停止運動期間對閂體的運動幾乎沒有影響，在從自動阻鐵解脫到閂體復(fù)進(jìn)結(jié)束過程中使閂體產(chǎn)生一定的滯后。由此可以得到自動炮在一個射擊循環(huán)過程中供彈滑板的運動規(guī)律：在后坐過程中，身管抬起供彈滑板，阻力較小，在復(fù)進(jìn)過程中身管帶動供彈滑板下壓，同時帶動撥彈齒撥彈，阻力較大，身管復(fù)進(jìn)時間增加，造成自動阻鐵解脫的時間延長，使閂體產(chǎn)生一定的滯后。因此，對于炮身長后坐自動炮來說，供彈阻力是通過影響身管和閂體的復(fù)進(jìn)來影響自動炮的射速的。從式（6）可以看出供彈阻力與彈帶的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)有關(guān)系，隨著剛度和阻尼系數(shù)的增加，供彈阻力會增大，會加劇對炮身復(fù)進(jìn)的影響，從而影響自動炮的射速。

5 結(jié)論

本文在對彈鏈供彈系統(tǒng)的運動和受力分析的基礎(chǔ)上，建立了自動炮的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型并基于試驗進(jìn)行驗證，得到準(zhǔn)確的仿真模型，分析了彈鏈供彈系統(tǒng)對自動炮射速的影響，結(jié)果表明彈帶系統(tǒng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)會對供彈阻力產(chǎn)生影響，彈鏈供彈系統(tǒng)所產(chǎn)生的供彈阻力通過作用于撥彈滑板，從而影響自動炮的復(fù)進(jìn)過程進(jìn)而影響自動炮的射速。

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