基于RecurDyn的彈簧-液壓式緩沖裝置動力學仿真研究

田　楠，趙建中，陳永剛，劉　彥，李　勇

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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基于RecurDyn的彈簧-液壓式緩沖裝置動力學仿真研究

田楠，趙建中，陳永剛，劉彥，李勇

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

緩沖裝置對自動機后坐力、射擊穩定性、系統的射擊精度的影響至關重要，是現代自動機研究的重要部分。某中口徑自動機采用彈簧-液壓式緩沖裝置，以該自動機為研究對象，基于多剛體動力學理論，運用RecurDyn軟件建立了其動態仿真模型, 通過仿真計算，得到自動機8連發后坐部分位移與后坐力曲線，與該樣機實測8連發后坐部分位移曲線和后坐力曲線比較，相對誤差在5%以內，表明用該方法計算的結果比較符合實際情況。

彈簧-液壓式；緩沖裝置；液壓阻力；后坐位移；后坐力

緩沖裝置的主要作用是發射時消耗和吸收自動機后坐能量，減小炮架上的受力，使后坐部分后坐到一定長度上停止后坐；后坐結束時，使炮身平穩的復進到發射前位置，并保證在整個射角內炮身不下滑。通過合理設計緩沖裝置可以有效地控制火炮在射擊時受力和運動規律，提高火炮射擊時的穩定性，從而提高射擊密集度。因此，研究和分析緩沖裝置對火炮性能的提高具有重要意義[1]。

1　彈簧-液壓式緩沖裝置理論模型

1.1彈簧-液壓式緩沖裝置結構與工作原理

彈簧-液壓式緩沖裝置主要由液壓筒、活塞桿、緩沖彈簧、單向活門、活門復位簧、接頭和端蓋等組成，如圖1所示。

端蓋和炮箱通過圓柱銷連接，接頭通過圓柱銷和搖架連接。在炮膛合力作用下，自動機后坐，固定其上的液壓筒向后運動，推動活塞前腔的液體流向活塞后腔，總共有兩股液體流：一股推開單向活門，經單向活門流液孔流向后腔；另外一股經活塞桿內腔流向活塞后腔。自動機的后坐能量由緩沖彈簧吸收和后坐液壓阻力耗散，緩沖彈簧的簧力是自動機后坐時的主要阻力。后坐過程結束，自動機在緩沖彈簧作用下復進，推動液壓筒向前運動。此時單向活門在復位簧和液體壓力作用下關閉，后腔液體經活塞桿內腔流液孔流向前腔。復進時，液壓機構產生較大的液壓阻力，用來降低炮箱的復進時速度，使下一次閂體復進到位擊發時炮箱還未復進到初始位置，實現浮動射擊。當自動機后坐部分在復進過程中進行擊發時，火藥氣體必須先阻止自動機后坐部分的運動，然后才開始后坐，由于在復進中擊發，使復進剩余能量抵消一部分火藥氣體的后坐能量，減小了后坐位移和后坐速度，同時也減小了后坐力[2-3]。

1.2 彈簧-液壓式緩沖裝置阻尼性能分析與計算

在后坐過程中，后坐流液孔總面積為Axh=A1+ A2，其中 A1為活塞桿內腔流液孔面積；A2為單向活門流液孔面積。在復進過程中，復進流液孔總面積為Axf=A1。在后坐過程中，活塞作用的面積為Asxh；在復進過程中，活塞作用的面積為Asxf。

后坐過程中液壓阻力為

(1)

復進過程中液壓阻力為

(2)

式中： ρ為液體密度；K1為液壓阻力系數；f(Axh,Asxh)和f(Axf,Asxf)稱為液壓裝置的結構函數，當液壓裝置的結構確定后，f(Axh,Asxh)和f(Axf,Asxf)為常數，液壓阻力與自動機運動速度的二次方成正比。

2　動力學模型建立

2.1模型的基本假設

基本假設如下：

1)忽略彈簧的慣性，根據彈簧的類型，用RecurDyn自帶的彈簧模型代替。

2)只考慮后坐部分與搖架之間的摩擦力，忽略其他運動副之間的摩擦力[4]。

2.2模型的建立過程

為確保模型傳遞時的準確性，提高模型的仿真精度，本模型通過UG三維模型導入到RecurDyn軟件，實現無縫對接。

2.2.1約束副的施加

某76 mm轉管自動機擊發時，炮膛合力作用在閂體鏡面上，通過閉鎖齒傳遞到炮尾上，通過炮尾與炮箱之間的滾珠軸承，將炮膛合力傳到炮箱和緩沖器上，驅動炮箱后坐。自動機主要構件間的運動副關系如表1所示。

表1　主要構件間運動副關系

2.2.2力的施加

2.2.2.1炮膛合力

內彈道時期膛底壓力計算公式為

(3)

式中：ω為裝藥量；φ1為阻力系數，一般φ1≈1.02；m為彈丸質量；p為平均壓力，由經典內彈道模型可以求解不同時刻膛內平均壓力p[5]。

后效期膛底壓力的計算公式為

(4)

式中：pg為炮口平均壓力；t為后效期開始算起的時間；b為后效期壓力衰減的時間常數。

炮膛合力計算公式為

Ft=S·pt

(5)

式中,S為炮膛截面面積[6]。

炮膛合力Ft-時間t曲線如圖2所示。

在RecurDyn中，把炮膛合力通過一個軸向(Axial)平動力施加到后坐部分上，形式為：

AKISPL(time，0，Spline,0)。

其中：time為仿真時間；Spline為炮膛合力隨時間變化曲線[7]。

2.2.2.2接觸力

對于有相互碰撞和有接觸作用的部件之間施加Surface-to-SurfaceContact。RecurDyn計算接觸力是基于Hertz接觸理論，并在此基礎上作了改進，計算接觸產生的法向接觸力fn的公式為

(6)

2.2.2.3彈簧力

彈簧使用RecurDyn自帶的彈簧編輯器定義。

2.2.2.4RecurDyn環境下液壓阻力的模擬

RecurDyn提供了軸向力(Axial)力元，有標準(Standard)和用戶子程序(UserSubroutine)兩種表示類型。UserSubroutine允許用戶使用VC++語言編程，這就使得使用用戶子程序的方式來模擬彈簧-液壓式緩沖裝置的液壓阻力成為可能。實現方式如下：

1)通過RecurDyn中的SYSFNC函數實時提取自動機后坐部分運動速度v。

2)若 v<δ(δ為門限值，為一極小的正值)時，液壓阻力為0。

3)若v>δ時，自動機運動速度為正值，處于向后運動狀態，其液壓阻力按式(1)計算。

4)若v<-δ時，自動機運動速度為負值，處于向前復進狀態，其液壓阻力按式(2)計算。

使用VC++語言，編寫彈簧-液壓浮動自動機用戶子程序SubroutineAxialforce模擬液壓阻力，使用動態鏈接技術，實現彈簧-液壓式緩沖裝置動力學仿真[10]。某中口徑自動機動力學仿真模型如圖3所示。

3　仿真結果與分析

以自動機仿真模型為基礎，對某中口徑自動機0°射角射擊8連發時炮箱后坐位移和后坐力進行仿真。

3.1仿真條件確定

仿真條件選取的原則是：自動機能夠實現浮動穩射擊，自動機的后坐和復進距離都穩定在預定的范圍內，第2發之后的后坐位移和后坐力比第1發的減小值越大越好。這也就相當于把作用在搖架上的后坐力和前沖力穩定在一定范圍內，避免了對搖架的沖擊，從而保持武器射擊穩定性，以提高射擊精度[11]。影響浮動自動機運動的因素很多，所以浮動曲線存在波動是正?，F象，只要曲線的規律趨向穩定，在一定范圍內波動，浮動就算穩定。

緩沖裝置設計的約束條件包括允許的最大后坐長度(與供彈可靠性有關)等。計算仿真的初始條件包括自動機后坐質量、射速、緩沖彈簧的預壓力、緩沖彈簧剛度系數等。

3.1.1首發最大后坐長λmax

首發最大后坐長λmax要綜合考慮火炮受力、自動機結構、炮架結構來確定。λmax越大，炮架受力越好，但火炮質量會增加，因為自動機和炮架的縱向尺寸相應的增大。一般選取一組λmax值作為浮動機設計的初始數據，進行多方案解算，最后選取最佳方案。

3.1.2緩沖彈簧參數的選取

緩沖彈簧參數主要是確定初力F1和剛度系數k。

緩沖彈簧初力F1的作用是在整個射角范圍內均能使后坐部分處于待發位置，即使后坐部分有微小位移時，仍能克服摩擦力，將后坐部分推回到原位。因此初力開始設計時可取F1=αMg，其中M是后坐部分質量，α一般取1.5～5。設計時通常選取一組α值，進行多方案比較，最后選取最優方案。

彈簧的剛度系數計算公式為

(7)

式中，m為壓縮比。

壓縮比m應該綜合炮架受力、結構和質量3個方面來選取，在結構允許的條件的下，盡量選取小一些，也可選取多個m值，擇優選擇。

3.1.3液壓機構參數的選取

液壓機構設計的目的是確定其結構與流液孔尺寸。針對自動機特點和總體要求確定液壓機構結構形式，進行結構設計。液壓機構的結構設計好之后就可進行液壓阻力公式的推導、運動諸元的計算和流液孔尺寸的計算。

仿真過程中，以浮動彈簧預壓量y0、浮動彈簧剛度系數k、液壓裝置活塞桿流液孔直徑d1、液壓裝置活門流液孔直徑d2為4個獨立設計參數，把浮動穩定性好、后坐力小作為設計目標，確定一組適當的結構參數，在滿足規定的限制條件下，使自動機綜合浮動性能較好。由此確定的初始參數是：y0為25 mm，k為1 500 N/mm，d1為2.8 mm，d2為4 mm。自動機后坐質量為4 500 kg，射速為500發/min，高低射角為0°。

3.2炮箱后坐位移仿真結果與分析

炮箱后坐位移仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，自動機炮箱位移曲線在發射第1發彈時為最大，這主要是因為第1發不是復進擊發(即未浮動)的緣故。從第2發后炮箱后坐位移變小，但不是很穩定。在第3發后炮箱后坐位移曲線的最大值和最小值趨于穩定，從而使自動機在連發時保持射擊穩定性[12]。從第2發后炮箱后坐位移變小的原因是由于炮彈擊發時炮箱具有一定的向前沖量，抵消部分火藥氣體的向后沖量。

仿真計算值與實測值比較如表2所示。

表2　自動機炮箱后坐位移計算值與實測值誤差比較

由表2可以看出，仿真結果與實測值比較吻合，誤差在5%以內。從第3發開始，后面各發浮動穩定性較好，最大后坐位移和擊發點炮箱位移都穩定在預定的范圍內，分別在平均值37.14 mm和5.21 mm附近波動，誤差不超過1 mm。第3發開始炮箱后坐最大位移平均值與首發后坐最大位移相比較，減少了35%，說明自動機浮動效果比較好。

3.3自動機后坐力仿真結果與分析

自動機后坐力仿真結果如圖5所示。

從圖5仿真結果可以看出，該自動機最大后坐力出現在第1發彈射擊時。從第3發彈開始后坐力趨于穩定，并且后坐力大幅減小，從而保證了自動機在連發時的射擊穩定性[12]。

表3　自動機后坐力計算值與實測值誤差比較

由表3可以看出，仿真結果與實測值之差在5%以內，比較吻合。第3發開始炮箱最大后坐力平均值與首發最大后坐力相比較，減少了18%，說明采用此浮動機可以大幅度減小后坐力，同時也可提高射擊精度。

4　結束語

筆者利用多體動力學軟件RecurDyn建立了緩沖裝置是彈簧-液壓式的自動機動力學仿真模型,并進行了動力學仿真計算與分析。仿真結果表明：自動機后坐位移和后坐力計算仿真值與試驗值比較吻合，相對誤差在5%以內，驗證了仿真模型的正確性和合理性,為彈簧-液壓式緩沖裝置進一步研究奠定了基礎。

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Research on Dynamics Simulation of the Spring-hydraulic of Recoil Mechanism Based on RecurDyn

TIAN Nan, ZHAO Jianzhong, CHEN Yonggang, LIU Yan, LI Yong

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

The recoil mechanism, as an important research area of modern automatic gun, is essential to the recoil force and firing stability of fire gun and firing precision of automatic gun. The spring-hydraulic equipment is adopted for the recoil mechanism of a certain medium caliber automatic gun with the automatic gun as object of research. Based on the use of multi-body dynamics theory, the modeling of simulation & dynamic was established through the application of the RecurDyn software. By means of simulation calculation, recoiling mass displacement curve and the recoil force of eight volleying are acquired. Through a comparison with actual tested displacement curve of recoiling mass and the recoil force of automatic gun, the relative error can be within 5%.The comparison results show that the obtained results are more realistic.

spring-hydraulic;recoil mechanism;hydraulic resistance;recoil displacement;recoil force

2015-06-24

田楠(1988—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動機技術研究。E-mail：643312532@163.com

TJ303

A

1673-6524(2016)01-0007-05