基于虛擬樣機技術的艦炮發射動力學仿真＊

李 川 王建偉

（1.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局 重慶 400042）（2.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局 武漢 430064）

1 引言

射擊精度是評定艦炮射擊效果好壞的重要指標，炮口振動是影響艦炮射擊精度的一個重要因素。研究艦炮結構的振動對射擊精度的影響，可以從結構層面上為艦炮的射擊提供良好的外彈道初始條件，從而提高射擊精度。

艦炮作為一個結構復雜、運動自由度多的機械系統，傳統的動力學分析方法已經遠不能滿足對其進行振動分析的需要。隨著科學技術的發展，多體系統動力學分析方法已經成為研究艦炮振動的重要方法，并開發了一系列的通用的應用軟件。王德石等[1～3]采用多體系統模型對艦炮的射擊振動過程進行了動力學建模。楊軍榮[4]等應用ADAMS和Matlab兩大軟件平臺，建立了某雙管火炮的虛擬樣機聯合仿真模型。

本文綜合運動多個軟件平臺的優勢，建立了艦炮虛擬樣機聯合仿真模型，考慮了身管的柔性，并進行了發射動力學聯合仿真。仿真結果與剛性建模結果相比具有更高的精度，更貼近艦炮發射的真實情況。仿真結果對艦炮射擊精度的提高和結構的優化都具有一定的參考價值。

2 艦炮總體模型

為了能夠獲得較精確的結構參數和相關物理參量，應用Pro／E軟件建立了艦炮的總體三維實體模型。權衡計算的經濟性和計算結果的精確性，將艦炮簡化為六大部分：后坐部分、搖架部分、高低齒弧部分、高低機部分、炮架部分以及回轉支撐部分，拓撲結構[5]如圖1所示。其中，H1為旋轉副，H2為耦合副，H3為移動副，H4和H6為固定副，H5為接觸副。后坐部分在炮膛合力Fpt、駐退機力Fzt和復進機力Ff等力的作用下，在搖架上做后坐復進運動；搖架通過耳軸支撐在炮架上，后部的大齒弧與高低機的主齒輪嚙合；炮架坐落在回轉支撐上，在方向機的作用下實現回轉運動；回轉支撐與軍艦固連。

3 聯合仿真模型的建立

為實現聯合仿真，利用Pro／E建立的總體三維模型，導入ADAMS平臺[6]建立艦炮的虛擬樣機仿真模型；利用Matlab／Simulink[7]建立內彈道計算模型，炮膛合力、駐退機力和復進機力的計算模塊；最后利用ADAMS／Control模塊和Matlab／Simulink／adams＿sys模塊建立聯合仿真模型，從而實現兩大軟件之間的信息封閉循環，如圖2所示。

3.1 基于ADAMS的虛擬樣機模型

將建好的艦炮三維模型導入ADAMS中，定義各部件之間的約束關系，可得艦炮多剛體仿真模型。

考慮到艦炮身管在發射時存在較嚴重的彈性變形和振動，對炮口的動態響應產生較大影響，故在動力學仿真時必須考慮身管的柔性。

利用有限元軟件建立身管的柔體模型，進行模態計算，生成mnf文件，導入ADAMS中，可得艦炮的剛柔耦合模型。身管有限元模型如圖3所示。

圖3 身管有限元模型

3.2 基于 Matlab／Simulink的計算模型

3.2.1 內彈道計算模塊

炮膛合力計算數學公式如下：

式中，φp為次要功系數；ω為發射藥質量；q為彈丸質量；S為炮膛截面面積；p為火藥氣體平均壓力；tg和tk分別為彈丸出炮口時間和后效期結束時間。

利用Matlab／Simulink軟件，根據該炮的內彈道方程及其相關參數，建立內彈道計算模塊如圖4所示。

3.2.2 炮膛合力、駐退機力及復進機力計算模塊

該炮采用典型的帶復進節制器的溝槽式駐退機和氣壓式復進機。

復進機力計算公式如下

式中，Ff0為初始壓力，n為多變指數，Ls為復進機初始容積的有效長度。

圖4 內彈道計算模塊

駐退機力計算公式如下：

式中，A0為駐退機后坐時活塞有效工作面積；Ap為節制環內孔面積；Afj為復進節制腔工作面積；A1為后坐時駐退機支流通道的最小面積；aX為駐退機主流液孔面積；K1，K2，K1f，K2f為液壓阻力系數；ρ為駐退液密度。

依據這類反后坐裝置的駐退機力和復進機力的計算公式，分別建立作用于炮身的駐退機力和復進機力計算模塊如圖5所示。

圖5 炮膛合力、駐退機力及復進機力計算模塊

ADAMS模型輸出仿真中炮身的后坐位移X和后坐速度V，經過Simulink模塊的相關處理，得到炮膛合力、駐退機力和復進機力，并反饋給ADAMS模型。

3.3 聯合仿真模型

圖6 艦炮聯合仿真模型

在Matlab／Simulink軟件中打開adams＿sys窗口，并將計算模塊輸入其中，如圖6所示。完成相關的參數設置，即可仿真計算。

4 動力學仿真及結果分析

圖7 艦炮后坐部分后坐位移曲線

圖8 艦炮炮口振動曲線

利用上面所建的聯合仿真模型，并將該炮的內彈道參數和相關結構參數編制成Matlab的m文件，利用AD－AMS與Matlab／Simulink軟件平臺，進行了艦炮發射動力學聯合仿真。動力學仿真之前，首先進行靜平衡分析，并作為動態分析的初始狀態。聯合仿真的部分結果如圖7、圖8所示。

圖7說明了艦炮后坐部分的運動過程，與試驗數據比較，最大后坐位移及時間誤差不超過5%，可以認為仿真結果比較真實、可信。

5 結語

現在，市場上存在大量的各類應用軟件，并在某一方面具有強大的功能。本文充分利用各個軟件的自身優勢，基于多個軟件平臺，建立了艦炮剛柔耦合動力學虛擬樣機模型，得到了相關部件的運動特性和炮口響應，為艦炮的射擊精度預測及系統優化提供了方法。

[1]王德石.基于多剛體動力學的艦炮系統振動分析[J].火炮發射與控制學報，1998，（4）：1－6.

[2]王德石，史躍東.火炮振動分析與多體系統模型研究[J].動力學與控制學報，2012，10（4）：303－324.

[3]史躍東，王德石.艦炮剛柔耦合動力學分析[J].彈道學報，2010，22（1）：37－44.

[4]楊軍榮，何永，米糧川.基于虛擬樣機的雙管炮動力學仿真[J].南京理工大學學報，2006，30（4）：339－343.

[5]洪嘉振.計算多體系統動力學[M].北京：高等教育出版社，1999：201－210.

[6]范成建，熊光明，周明飛.虛擬樣機軟件 MSC.ADAMS應用與提高[M].北京：機械工業出版社，2006：214－240.

[7]劉會燈，朱飛.Matlab編程基礎與典型應用[M].北京：人民郵電出版社，2008：405－416.