某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)分析

韓如鋒，張國平，李　勇，王茂林

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)分析

韓如鋒，張國平，李勇，王茂林

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽712099)

以某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮為研究對(duì)象，在分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，考慮噴管推力、機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)阻力及碰撞等因素，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立了該自動(dòng)炮的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其2個(gè)射擊循環(huán)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，獲得了自動(dòng)炮后坐與復(fù)進(jìn)過程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了所建虛擬樣機(jī)的正確性和有效性，在此基礎(chǔ)上，研究了轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)特性影響較小。仿真模型與結(jié)果可對(duì)該炮參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論參考依據(jù)。

微后坐力；轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮；動(dòng)力學(xué)；虛擬樣機(jī)；仿真

某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮基于膨脹波發(fā)射原理，可在不降低彈丸初速的情況下大幅減小火炮后坐能量，是火炮發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域較有創(chuàng)新性和突破性的新技術(shù)之一。目前，對(duì)轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮的動(dòng)力學(xué)研究主要集中在炮箱、主動(dòng)滑板等重要部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及動(dòng)力學(xué)特性方面，運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)方法或虛擬仿真方法，考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)阻力、撞擊等因素，得到了較為滿意的結(jié)果[1-6]。而針對(duì)膨脹波發(fā)射原理的轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，其突出特點(diǎn)在于打開噴孔后膛內(nèi)壓力急劇下降，減小了大部分后坐能量，同時(shí)后噴的氣流會(huì)產(chǎn)生反推力，作用于噴管端面。對(duì)于噴孔打開后的膛壓可通過解算成熟的膨脹波火炮內(nèi)彈道方程組獲取，對(duì)于噴管推力，多采用三維、可壓縮、非定常的N-S方程作為控制方程進(jìn)行建模解算，過程較為復(fù)雜。

筆者在轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用無后坐力炮的噴管推力模型，即一維、等熵假設(shè)下的噴管推力模型，來考慮該自動(dòng)炮火藥燃?xì)夂髧姰a(chǎn)生的噴管推力，運(yùn)用RecurDyn建立某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮的虛擬樣機(jī)，通過仿真計(jì)算來研究該自動(dòng)炮的動(dòng)力學(xué)特性。

1　自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮主要由身管、炮箱、轉(zhuǎn)膛體、抽殼機(jī)構(gòu)、輸彈滑板、炮口制退器、緩沖器、轉(zhuǎn)膛滑板、輸彈滑筒及輸彈簧、換向器、噴管和扣機(jī)等組成，如圖1所示。

該自動(dòng)炮采用膨脹波發(fā)射原理，有效降低后坐

力。擊發(fā)后，彈丸在火藥氣體作用下向炮口方向運(yùn)動(dòng)，在某時(shí)刻打開炮尾，火藥燃?xì)忾_始后噴，產(chǎn)生噴管推力，抵消部分后坐能量，繼而彈丸底部越過導(dǎo)氣孔，從膛內(nèi)導(dǎo)出的火藥氣體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛滑板運(yùn)動(dòng)，依次完成開閂、抽殼、拋殼、掛機(jī)、解脫扣機(jī)、推彈、閉鎖、擊發(fā)以及供彈等機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

2　虛擬樣機(jī)建立

2.1模型的簡化與假設(shè)

根據(jù)該微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和射擊循環(huán)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在不影響虛擬樣機(jī)合理性的前提下，作如下簡化與假設(shè)[7]：

1) 忽略小零部件的影響，其質(zhì)量添加到相應(yīng)的部件上。

2) 除彈簧外其他構(gòu)件作為剛體處理。

3) 自動(dòng)炮搖架與大地固定。

2.2約束關(guān)系

某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮部件之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系交叉較多，為了便于分析，把運(yùn)動(dòng)關(guān)系一致的部件合并[8]。如炮口制退器、身管、扣機(jī)、噴管等與炮箱合并為同一剛體；轉(zhuǎn)膛體、轉(zhuǎn)膛襯套、滾輪和支承軸合并為同一剛體；活塞桿、轉(zhuǎn)膛滑板、輸彈滑筒、輸彈滑板合并為同一剛體；將抽殼機(jī)構(gòu)、換向器、緩沖器單獨(dú)定義為剛體。

炮箱與搖架建立滑動(dòng)副；滑板與炮箱以輸彈簧相連接，以滑動(dòng)副方式在炮箱滑軌上移動(dòng)；轉(zhuǎn)膛體通過轉(zhuǎn)膛軸與炮箱以轉(zhuǎn)動(dòng)副形式連接，繞轉(zhuǎn)膛軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)膛體上的滾輪與滑板的曲線槽以接觸的形式相連；換向器以轉(zhuǎn)動(dòng)副在滑板上轉(zhuǎn)動(dòng)，并且與換向器曲線槽以接觸的形式連接；抽殼機(jī)構(gòu)與滑板及炮箱均以滑動(dòng)副相連；緩沖器與搖架及炮箱以緩沖簧形式相連。按以上分析，其約束關(guān)系如表1所示。

表1　約束關(guān)系圖

2.3連發(fā)射擊的控制策略

連發(fā)仿真的關(guān)鍵問題是：對(duì)同一條載荷曲線，自動(dòng)炮每發(fā)射擊循環(huán)結(jié)束后能夠自動(dòng)加載[5]。

RecurDyn軟件提供了Sensor(傳感器)功能，傳感器能感知事件的發(fā)生并返回其自身值。建立一個(gè)傳感器記錄下滑板復(fù)進(jìn)到位的時(shí)間，傳感器表達(dá)形式如下：

Sensor/id，value=x，equal，

fuction=dx(a，b) evaluate=time

其中：a表示滑板上的轉(zhuǎn)膛體定位凸臺(tái)前端面中心處mark點(diǎn)的id號(hào)；b表示炮箱上的轉(zhuǎn)膛體定位凹槽前端面中心處mark點(diǎn)的id號(hào)；x定義為滑板復(fù)進(jìn)到位時(shí)a和b兩個(gè)mark點(diǎn)之間的距離，此處定義為不大于1 mm，即滑板復(fù)進(jìn)到位時(shí)觸發(fā)傳感器；Event Evaluation：time，返回傳感器觸發(fā)時(shí)的時(shí)刻，即SenvalOnTime(Sensor)=time。

連發(fā)載荷可以方便的定義為

Sforce/id function=AKISPL(time-SenvalOnTime(m)，0，n，0)其中：m表示傳感器的id號(hào)；n表示載荷曲線的id號(hào)。

2.4施加載荷

在射擊過程中，該自動(dòng)炮主要受到炮膛合力、導(dǎo)氣室作用力、噴管推力、彈簧力、液壓阻力和摩擦力等的作用。筆者只對(duì)導(dǎo)氣室作用力、噴管推力、緩沖器液壓阻力以及碰撞問題進(jìn)行闡述。

2.4.1導(dǎo)氣室作用力Fpq

導(dǎo)氣式自動(dòng)炮是利用氣室內(nèi)的火藥氣體壓力驅(qū)動(dòng)主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的。根據(jù)布拉文經(jīng)驗(yàn)公式[2,5,9-10]，在RecurDyn中，導(dǎo)氣室火藥氣體作用力Fpq表達(dá)式為

if(time-t1-SenvalOnTime(m)：0，0，P*S*EXP(-(time-t1-SenvalOnTime(m))/b)*(1-EXP(-a*(time-t1-SenvalOnTime(m))/b))

其中：P為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔時(shí)膛內(nèi)平均壓力；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù)；a為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；t1為火藥氣體進(jìn)入氣室的時(shí)間；S為導(dǎo)氣室活塞面積；m為傳感器的id號(hào)。

仿真時(shí)導(dǎo)氣室火藥氣體作用力以一個(gè)集中力形式等效，施加于活塞端面與炮箱氣室前端面。

2.4.2噴管推力Fpc

該微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮在射擊過程中有大量火藥氣體從噴管中噴出，產(chǎn)生噴管推力，在一維等熵流動(dòng)條件下，噴管推力可以由式(1)求得[9]。

(1)

式中：CF為噴管推力系數(shù)；Sj為噴管喉管面積；p為受力時(shí)刻膛內(nèi)平均壓力；γ為燃?xì)獗葻嶂?，?.29；Pa為大氣壓力；ξe2為噴張比；Ma為馬赫數(shù)，取4。

由式(1)獲得噴管推力的數(shù)值解，繪制噴管推力隨時(shí)間變化的曲線，如圖2所示。

噴管推力的施加方法與導(dǎo)氣室作用力的施加方法一致，同樣是通過一個(gè)集中力形式施加于噴管端面。

2.4.3緩沖器液壓阻力Fyz

后坐時(shí)，液壓阻力為[1]

(2)

復(fù)進(jìn)時(shí)，液壓阻力為[1]

(3)

式中，K2為復(fù)進(jìn)時(shí)液壓阻力系數(shù)。

液壓緩沖器后坐復(fù)進(jìn)過程的液壓阻力是一個(gè)關(guān)于后坐速度的分段函數(shù)，在RecurDyn中液壓阻力的施加方法是：利用速度函數(shù)提取出炮箱速度V，利用狀態(tài)條件判斷函數(shù)IF函數(shù)，液壓阻力的表達(dá)形式如下：

IF(V: -Fyz2，0，F(xiàn)yz1)

2.4.4碰撞問題

模型中多數(shù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系傳遞是通過碰撞實(shí)現(xiàn)的。RecurDyn通過合理定義接觸來考慮碰撞問題，其通過檢驗(yàn)幾何外形來判斷是否發(fā)生接觸，在發(fā)生接觸的狀態(tài)下，根據(jù)穿透深度及其變化來計(jì)算接觸力，其計(jì)算公式基于改進(jìn)的Hertz接觸理論：

(4)

2.5虛擬樣機(jī)

根據(jù)自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立的虛擬樣機(jī)在RecurDyn/View窗口下的模型如圖3所示。

3　虛擬樣機(jī)仿真分析

建立的虛擬樣機(jī)主要用于分析自動(dòng)炮的工作循環(huán)，由于炮彈入膛過程不影響自動(dòng)炮的工作循環(huán)，所以沒有考慮炮彈入膛時(shí)復(fù)雜的彈帶擠進(jìn)過程, 對(duì)于炮彈入膛的可靠性以慣性輸彈階段時(shí)炮彈相對(duì)于炮膛的速度來考察[10]。對(duì)自動(dòng)炮0°射角射擊時(shí)的2個(gè)工作循環(huán)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取自動(dòng)炮關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其中炮箱及滑板位移曲線如圖4、5所示。

通過與靶場試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，可以看出：炮箱、滑板的位移仿真曲線及實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)一致，數(shù)值接近，表明虛擬樣機(jī)與實(shí)際情況較為吻合，同時(shí)說明了所建噴管推力模型的合理性。

基于上述虛擬樣機(jī)模型，對(duì)轉(zhuǎn)膛體3種不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J1=0.047 kg·m2，J2=0.037 kg·m2，J3=0.027 kg·m2，J1>J2>J3)作進(jìn)一步對(duì)比仿真分析，獲得的滑板后坐速度曲線如圖6所示。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大，滑板后坐速度趨于平緩，后坐時(shí)間相應(yīng)增加，影響自動(dòng)炮的射速，所以轉(zhuǎn)膛體在滿足剛強(qiáng)度的情況下，結(jié)構(gòu)尺寸要盡可能小[6]，有利于提高該微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮的射速。

4　結(jié)束語

筆者建立了某微后坐力轉(zhuǎn)膛自動(dòng)炮虛擬樣機(jī)模型，仿真獲得了其關(guān)鍵部件動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，以靶場射擊測(cè)試得到的炮箱及滑板位移為例，將仿真曲線與試驗(yàn)測(cè)試曲線對(duì)比，兩者趨勢(shì)相似，特征點(diǎn)數(shù)值誤差較小，驗(yàn)證了所建虛擬樣機(jī)的正確性和有效性，在此基礎(chǔ)上研究了轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)特性影響，得出轉(zhuǎn)膛體在滿足剛強(qiáng)度的情況下，結(jié)構(gòu)尺寸要盡可能小的結(jié)論。仿真模型與結(jié)果可為該自動(dòng)炮的進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論參考依據(jù)。

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Dynamics Simulation Analysis of a Certain Recoil Force Revolver-type Automatic Gun

HAN Rufeng, ZHANG Guoping, LI Yong, WANG Maolin

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

With the recoil force revolver-type automatic gun as the study object, based on an analysis is made of the structural characteristics and working principle, considered are the force by jet gas and mechanism friction and impact when the dynamics model of this gun was established based on dynamic simulation software (RecurDyn). The model was then used to simulate two firing cycles of the gun with the movement curves and dynamic characteristics data of automatic gun in recoil and counter-recoil course obtained with simulating computation. The compatibility of the simulation and experimental results verifies the correctness and feasibility of this model. Based on this, study is made of the influential patterns of the model, which changes with different revolver moment of inertia. The simulation results show that the change of the revolver moment of inertia does not exert an obvious effect on the slider dynamic characteristics. The model can provide a theoretical foundation for further parametrical and structural optimization of this gun.

low recoil force；revolver-type automatic gun；dynamics；virtual prototype；simulation

2015-08-04

韓如鋒(1988—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。E-mail：laohanjushi@126.com

TJ392

A

1673-6524(2016)01-0027-05