基于仿真設計的坦克炮發射動力學研究

余　澤

（65426部隊裝甲裝備科，150080）

基于仿真設計的坦克炮發射動力學研究

余澤

（65426部隊裝甲裝備科，150080）

本文首先分析了坦克炮發射全過程動力學仿真技術，并通過運用計算機仿真技術，構建了坦克炮發生全過程的各種模型，以此為坦克炮設計人員運用計算機對坦克炮的核心心梗進行分析，就設計方案予以修改與確定，以及我國后續裝甲裝備的評估、論證與研制，提供了全面、科學且多元的技術途徑與科學方法。

坦克炮；仿真設計；發射動力學

經諸多研究及實驗可知，炮口擾動乃是對坦克炮射擊精度造成影響的關鍵因素。當坦克炮在發射過程中，結構相應彈性變形較大影響著炮口擾動，尤其是身管受到彈丸作用力、高溫高壓火藥氣體壓力以及自身重力等方面的共同作用，就會形成十分顯著的彎曲振動及彈性變形。而身管所存在的柔性特性，則會對射擊過程當中炮口擾動的具體幅度造成影響，進而對火炮射擊精度造成影響，若采用多剛體模型，則難以對身管的此種彈性特性進行模擬。所以在坦克射擊時，對其展開細致化的動力學仿真，需將身管彈性特性考慮其中，構建坦克炮具體的剛柔耦合動力學模型。此乃將此目標達成的重要方法。

1　以ANSYS為基礎的坦克炮身管模態

1.1構建身管有限元模型

身管有限元模型乃是對身管模態分析予以構建的基礎，基于三維建模軟件Pro/E當中，通過對身管三維實體模型的構建，然后把實體模型完成在ANSYS有限元軟件中的導入工作。在ANSYS當中，對身管材料的屬性進行定義，運用實體單元，于搖架與身管相應接觸面，增加一定的約束，并網絡化劃分身管模型，最終便可建立身管的有限元模型。完成劃分之后，則有限元模型共有單元數9382個，節點數13523個。

1.2得出身管模態參數

基于有限元模型，可選用模態分析類型，運用Boock Lanczos模態提取法，求解模態。因為高階模態幾乎不會對振動系統造成影響，因此，只需將前10階模態予以提取，表1為身管各個階模態頻率及經計算所得出的振動周期。

身管1，3，5階模態振型，均與橫向的變形相接近；而2，4，6階模態振型，則與縱向變形接近。在知道身管各種激勵狀況下，通過分析身管模態參數，可以為防止出現身管共振現象，提供更加全面的參考依據。此外，如若知道各種彈丸與出跑瞬間所需時間，則可優化身管約束模態相應振動周期，促使彈丸出炮口具有最小的瞬間身管振動峰值，進而實現射擊精度的提升。

表1　某型坦克炮身管前10階約束模態的頻率

2　以ANSYS為基礎的坦克仿真模型的構建

2.1構建坦克整車多剛體模型

（1）構建坦克底盤部分多剛體模型。ATV作為以ADAMS為基礎的履帶車輛仿真模塊，對于坦克的底盤部分而言，其便是以ATV模塊為基礎得以構建的。ATV建立的基礎便是一個龐大的數據庫系統，其不僅將各種履帶車輛的模型予以提供，且在模型當中，已經假定了各物體的連接特性、質量特性及尺寸等。當構建模型時，秩序從數據庫當中完成數據的調出，依據坦克結構所具有的幾何尺寸及實際連接關系，開展相應修改，然后將修改之后所得出的數據，重新輸入至數據庫，ATV便會將底盤部分多剛體模型相應構建工作自動完成。底盤部分的動力學模型。（2）構建坦克武器系統部分的多剛體模型。首先，通過運用Pro/E軟件，將反后坐裝置、炮身、搖架及炮塔等三維實體模型予以構建；其次，利用接口程序Mechanisn/Pro，在ADAMS中完成實體模型相應導入工作，而在其中將載荷及約束完成添加，使之成為一個完整的動力學模型。把構建的武器系統部分多剛體模型與底盤部分多剛體模型，完成后續的組裝你工作。此模型運動機件為245個，平面副2個，滑移副2個，旋轉副38個，圓柱副2個，自由度1223個，約束方程251個。

2.2構建坦克整車剛柔耦合模型

基于身管有限元模型，于約束處構建外界節點，并對身管施加一定的載荷，然后運用此剛性區域，對此節點于周圍相應節點進行處理。如果此處沒有節點，則需另外構建關鍵點，并對其實施網格劃分，進而得出節點。在對外部節點選擇過程中，將身管質量、載荷信息、振型、頻率及轉動慣量的模態中性文件予以輸出，并于坦克整車剛體模型當中，對模態中性文件進行讀取，并用柔性化身管代替剛性化身管，最終變得獲取整車相應剛柔耦合模型。

3　仿真計算及結果

常溫穿甲彈射擊、方向射角0°、高低射角0°及主動輪制動，乃為模型仿真計算所持有的邊界條件。可知，在條件相同情況下，坦克炮后坐速度與后坐位移，所得出的仿真計算結果與試驗測試值之間的比較情況，可知二者在一致性上較好。

通過試驗與仿真，便可得到的最大后坐速度V max及最大后坐位移Smax，另外，還可得到二者之間相對溫差，見表2。兩者相對誤差為1.1%、1.8%，由此可知，明坦克整車剛柔耦合模型所得出的試驗值及仿真結果在一致性上較好。

表2　最大后坐速度與最大后坐位移測試值與仿真值

對于炮口動態響應而言，則選取彈丸線速度及出炮口瞬間炮口垂向振動線位移作為開展研究的具體對象。通過分析1.2節模態振型圖可知，在整個坦克整車剛柔耦合模型當中，將對仿真運動造成最小影響的模態予以關閉，并對坦克炮剛柔耦合模型相應設計過程進行仿真，另外，對多剛體動力學模型進行仿真處理，可得出，在條件相同的情況下，多剛體模型及剛柔耦合模型在炮口點線速度與垂向振動線位移比較的情況。為便于二者對比，特選用多剛體模型及剛柔耦合模型，針對炮口點垂向振動曲線相應起始點，對其實施平移，使其至于原點。現實上，多剛體模型炮口點垂直方向所具有的初始位移是-0.0513m，剛柔耦合模型則為-0.0637m，此種差異造成因素為身管的彈性變形。

剛柔耦合模型在垂向振動線在位移方面所具有的最大變化量是0.0298m，多剛體模型為0.204m，二者相比增加幅度達0.0528m，其與現實情況相應趨勢相一致。剛柔耦合模型在具體的垂向振動頻率方面，相比于剛體模型，要明顯小于后者，究其原因，主要是柔性體阻尼起到了一定作用，至此，剛柔耦合模型能夠對現實結構對炮口擾動所造成的影響給予反應，將身管的柔性特性考慮其中，可促進坦克炮在射擊當中相應動態仿真精度的顯著提高。

3　結語

采用計算機坦克火炮發射的全過程進行仿真，其最終仿真結果十分接近于實際情況，可對坦克性能進行定量與系統評價。通過獲取某型坦克身管前10階振動模態的振型及固有頻率，所得結果便可為坦克炮動態結構優化設計及響應分析提供可靠依據。最終結果可知，將身管的柔性特性相應剛柔耦合模型考慮其中，可實現坦克炮射擊過程的動態仿真精度的有效提升。

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Kinetics emission gun simulation-based design of the tank

Yu Ze
（65426 troops Armored Equipment Division，150080）

This paper analyzes the tank gun fired the whole process of dynamic simulation technology，and through the use of computer simulation technology，the models constructed tank gun the whole process occurs，as a tank gun designers use computer core heart tank gun Terrier analyzed，be modified and determination，as well as follow-up assessment of armored equipment，demonstration and research program on the design，provides a comprehensive，scientific and technical approach and diverse scientific methods.

tank gun；simulation design；emission kinetics