某坦克行進間射擊炮口振動優化與分析

陳 宇,楊國來,謝 潤,于情波

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

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某坦克行進間射擊炮口振動優化與分析

陳 宇,楊國來,謝 潤,于情波

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

炮口振動是影響坦克行進間射擊精度的關鍵因素,為了減小彈丸出炮口時的炮口振動,基于多體動力學的剛柔耦合及接觸碰撞算法,建立了考慮多個結構非線性因素的坦克行進間剛柔耦合多體系統動力學模型。結合優化設計理論和方法,建立了坦克行進間射擊炮口振動優化模型。通過徑向基函數法與增廣拉格朗日乘子法的結合,對坦克行進間射擊炮口振動進行多目標優化設計。優化結果表明,彈丸出炮口時的炮口振動明顯降低,優化方法是可行的,對于提高坦克行進間射擊精度有一定的參考價值。通過改變車速以及路面等級對優化結果進行假設分析,說明了行進間射擊優化的必要性。

坦克;行進間射擊;炮口振動;優化

作為現代地面戰爭快速突擊的中堅力量,行進間射擊精度是評價坦克戰術性能的重要指標,而在影響射擊精度的各因素中,炮口振動的影響是最大的。文獻[1～2]分析了坦克高速行進射擊時,路面激勵對火炮身管振動角速度的影響及其與身管角度誤差的關系,通過外彈道模型仿真分析了身管速度對射擊精度的影響。文獻[3]建立并分析了一種考慮驅動器和耳軸摩擦及車體運動影響的主戰坦克武器主動控制系統,旨在提高坦克射擊精度和首發命中率。文獻[4]評估了主戰坦克柔性身管的干擾抑制,并提出了一種應用于兩自由度柔性身管反饋補償系統干擾抑制的有效方法,這有利于減小因柔性身管造成的射擊精度誤差。文獻[5]利用自適應遺傳算法,優化設計了靜止狀態下某輪式自行高炮長連發射擊引起的炮口振動。文獻[6]建立了考慮高低機傳動間隙和緩沖制動裝置的某榴彈炮虛擬樣機,并對靜止發射過程中的炮口振動進行了優化。文獻[7～8]分別研究了包括路面不平度、柔性身管、耳軸軸承間隙等非線性因素對于自行火炮行進間射擊炮口振動的影響,說明了在火炮發射動力學建模中考慮非線性因素的必要性。有關減小坦克行進間射擊炮口振動的整體參數優化研究鮮見報道。

本文基于RecurDyn軟件平臺,建立了坦克剛柔耦合發射動力學模型,并同時考慮了身管襯瓦接觸、耳軸軸承接觸、路面不平度等多個非線性因素的影響,通過靈敏度分析選擇多個設計變量,以彈丸出炮口時的炮口高低角速度和角位移表征炮口振動,對坦克行進間射擊的炮口振動進行了優化分析,旨在提高坦克行進間射擊精度并說明優化方法的可行性。

1 坦克行進間發射動力學建模

整個系統簡化為后坐部分、起落部分、回轉部分和底盤4個組成部分。在RecurDyn中利用模態文件將身管柔性化,并通過在身管末端建立的界面節點與炮尾固結。建立身管和前后襯瓦、耳軸與軸承之間的接觸碰撞[7]。其他所有構件均簡化為剛體,并通過理想約束連接。全炮含260個剛體和1個彈性體,3個滑移鉸、39個旋轉鉸、22個固定鉸及8個接觸。整個系統共有1 335個運動自由度。系統拓撲結構簡圖如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構簡圖

駐退機和復進機載荷分別通過函數擬合,并直接加載在適當位置。數值計算時,在坦克行駛穩定后(約4 s),通過在身管末端界面節點施加炮膛合力模擬發射過程。假設坦克車速為20 km/h,選擇考慮左右輪相干性的D級三維路面,其通過諧波疊加法構建,寫成路面譜文件后導入到模型中[9-10]。

圖2給出了坦克行駛速度曲線。可以發現,0～2 s時間段內坦克處于加速階段,4 s時坦克處于勻速行駛狀態。

圖2 坦克行駛速度曲線

2 炮口振動優化建模與計算

2.1 優化模型的建立

為了提高行進間射擊精度,基于上一節建立的坦克行進間發射動力學模型,選擇合適的優化設計變量,以炮口高低角位移和角速度表征炮口振動,結合優化設計方法,建立坦克行進間射擊炮口振動優化模型。

通過系統參數靈敏度分析,選定襯瓦配合間隙C1、前后襯瓦距離D1、襯瓦寬度D2、耳軸配合間隙C2、耳軸橫向位置改變X1、耳軸垂向位置改變Y1及炮尾質心垂向位置Y2共7個參數為優化設計變量,優化目標J1和J2分別要求彈丸出炮口時的炮口高低絕對角位移和角速度最小。

(1)

(2)

表1 坦克行進間射擊系統優化參數上下限取值

2.2 優化流程

圖3給出了完整的優化流程。首先采用離散拉丁方法進行試驗設計,共選擇了23個采樣點,再根據這些采樣點,利用徑向基函數法[11]擬合出一個分析面,稱為元模型。采用這個元模型,在設計空間內通過增廣拉格朗日乘子法搜索優化解,確定最佳點。然后,將所選的優化點代入原模型求其精確解。如果這個新的設計不滿足收斂準則,分析結果和設計點將增加到原始的DOE表中,并重新構造元模型,再次進行優化。上述優化過程稱為具有元模型的有序近似優化(SAOM)。

圖3 優化流程圖

3 優化結果與分析

經過6次SAOM,最終得到了收斂的優化結果。表2給出了優化前后7個設計變量的比較值,表3給出了優化前后彈丸出炮口時炮口高低絕對角位移|θz|和角速度|ωz|的比較值,Δθz和Δωz為優化前后的變化率。

表2 優化前后7個設計變量比較

表3 優化前后彈丸出炮口時炮口振動比較

圖4和圖5分別給出了優化前后彈丸膛內運動時期炮口高低角位移及角速度變化的對比曲線。通過優化前后的比較可以看出,在優化后坦克行進間射擊系統參數中,耳軸配合間隙與襯瓦的配合間隙增大,襯瓦寬度和前后襯瓦的距離都減小了。此外,優化后耳軸位置向下移動了14.29mm,向后移動了12.38mm,炮尾質心位置向下移動了3.57mm。這使得整個系統的質心向下移動,有利于減小炮口振動。

圖4 炮口高低角位移變化曲線對比

圖5 炮口高低角速度變化曲線對比

從表3優化前后彈丸出炮口時炮口振動比較來看,優化后得到的設計方案彈丸出炮口時炮口高低絕對角位移減小了83.8%,炮口高低絕對角速度減小了96.3%。因此,通過對優化前后仿真結果的分析可知,優化前彈丸出炮口時的炮口振動較大,優化后各系統參數得到了調整,炮口振動有了明顯減小,這有利于提高坦克行進間的射擊精度。

上述坦克行進間射擊炮口振動優化建模時,限定了行駛工況(包括路面等級和車速),但不同行駛工況條件下,坦克受到的來自路面的激勵并不相同,因此,有必要討論優化結果對于不同行駛工況的適應性。表4給出了在不同行駛工況條件下,優化前后彈丸出炮口時炮口振動的比較。由計算結果可以看出,對于不同的行駛工況,優化的效果并不相同,在某一工況下效果非常好的優化結果,在另一種工況下,效果有可能會大打折扣,甚至會有反向效果。這是由于車體受到的來自路面的激勵不同,導致了炮口振動的改變。這間接說明在對坦克行進間炮口振動進行優化時,僅考慮靜止條件下的優化是存在明顯不足的。

表4 不同行駛工況下優化前后彈丸出炮口炮口振動比較

4 結束語

本文建立了計及多個結構非線性因素的坦克行進間射擊炮口振動優化模型,對D級路面、車速20km/h的工況進行了優化計算,優化效果明顯,且對于不同車速和不同等級路面有一定適應性。但本文僅對坦克行進間炮口振動優化問題進行了初步的探討研究,在動力學建模時尚未考慮彈炮耦合、雙穩系統等因素,這是后續研究的重點,還需要結合試驗測試對所建立的模型進行驗證,在此基礎上開展考慮多種行駛工況的坦克行進間射擊精度多目標優化研究。

[1] 王天雄,呂明,潘晟菡,等.行進間射擊復合射擊門隨機穿越特征量的分析[J].兵工學報,2012,33(12):1 467-1 472. WANG Tian-xiong,LV Ming,PAN Sheng-han,et al.Analysis of complex firing gate based on theory of random cut-through[J].Acta Armamentarii,2012,33(12):1 467-1 472.(in Chinese)

[2]王天雄,薄煜明,趙高鵬.高速行進坦克身管速度對射擊精度影響[J].火力與指揮控制,2015,1(1):8-11. WANG Tian-xiong,BO Yu-ming,ZHAO Gao-peng.Simulation research on hit precision of firing high-speed-on-the-move under influence of barrel-speed[J].Fire Control & Command Control,2015,1(1):8-11.(in Chinese)

[3]PURDY D J.Modelling and simulation of a weapon control system for a main battle tank[C]//Proceedings of the Eighth US Army Sympo-sium on Gun Dynamics.Rhode Island:ARDEC,1996:20-1-20-19.

[4]HENRY D,SNECK J.An assessment of main battle tank flexible gun tube disturbance rejection[C]//Proceedings of the Ninth US Army Symposium on Gun Dynamics.Mclean,Virgnia:ARDEC,1998:8-1-8-12.

[5]曹廣群,王建中,朵英賢,等.某輪式自行高炮長連發射擊炮口擾動結構參數動力學優化[J].火炮發射與控制學報,2014,35(1):52-55. CAO Guang-qun,WANG Jian-zhong,DUO Ying-xian,et al.Structural parameters dynamics optimization of muzzle disturbance in a wheeled self-propelled anti-aircraft gun during long burst fire[J].Journal of Gun Launch & Control,2014,35(1):52-55.(in Chinese)

[6]崔凱波,秦俊奇,賈長治,等.炮口擾動影響參數分析與優化研究[J].火炮發射與控制學報,2010(3):34-37. CUI Kai-bo,QIN Jun-qi,JIA Chang-zhi,et al.Research on analysis and optimization of structure parameters affecting muzzle disturbance[J].Journal of Gun Launch & Control,2010(3):34-37.(in Chinese)

[7]謝潤,楊國來.自行高炮行進間射擊炮口響應特性研究[J].兵工學報,2014,35(8):1 158-1 163. XIE Run,YANG Guo-lai.Research on response characteristics of muzzle for self-propelled antiaircraft gun firing on the move[J].Acta Armamentarii,2014,35(8):1 158-1 163.(in Chinese)

[8]謝潤,楊國來,徐銳,等.考慮耳軸-軸承間隙的自行高炮行進間炮口響應研究[J].振動與沖擊,2015,34(16):156-160. XIE Run,YANG Guo-lai,XU Rui,et al.Muzzle response of self-propelled antiaircraft gun on the move in consideration of clearance between trunnion and bearing[J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(16):156-160.(in Chinese)

[9]吳參,王維銳,陳穎,等.三維路面譜的仿真建模與驗證[J].浙江大學學報,2009,43(10):1 925-1 938. WU Can,WANG Wei-rui,CHEN Ying,et al.Simulation and validation of three-dimensional road surface spectrum[J].Journal of Zhejiang University,2009,43(10):1 925-1 938.(in Chinese)

[10]任宏斌,陳思忠,吳志成,等.車輛左右車輪路面不平度的時域再現研究[J].北京理工大學學報,2013,33(3):257-259. REN Hong-bin,CHEN Si-zhong,WU Zhi-cheng,et al.Time domain excitation model of random road profile for left and right wheels[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2013,33(3):257-259.(in Chinese)

[11]WANG J G,LIU G R.A point interpolation meshless method based on radial basis functions[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2002,54:1 623-1 648.

Optimization and Analysis of Muzzle Vibration for Tank Firing on the Move

CHEN Yu,YANG Guo-lai,XIE Run,YU Qing-bo

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Muzzle vibration is the key factor influencing the firing accuracy for tank firing on the move.In order to reduce the muzzle vibration at the time of the projectile passing muzzle,a dynamic model considering multiple nonlinear-factor of multi-body system for rigid-flexible coupling tank on the move was established based on the rigid-flexible coupling and the contact impact arithmetic theories of multi-body dynamics.Combined with the optimum design theory,the muzzle vibration optimization model was established.Radial Basis Functions(RBF)and Augmented Lagrange Multiplier Method(ALMM)were used to solve the multi-objective optimization function for muzzle vibration.The optimization result shows that the muzzle vibration of projectile can be effectively reduced.The proposed optimization method is feasible,and it offers reference for improving the firing accuracy for tank on the move.By changing the speed and the road grade,the what-if analysis shows the necessity of the optimization for tank firing on the move.

tank;firing on the move;muzzle vibration;optimization

2016-04-05

國家自然科學基金項目(11572158)

陳宇(1992- ),男,博士研究生,研究方向為火炮發射動力學。E-mail:njustcheny@163.com。

楊國來(1968- ),男,教授,博士生導師,研究方向為火炮發射動力學。E-mail:yyanggl@mail.njust.edu.com。

TJ3

A

1004-499X(2016)04-0086-04