后坐體結構參量對彈丸起始擾動的影響

景鵬淵，顧克秋

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

【裝備理論與裝備技術】

后坐體結構參量對彈丸起始擾動的影響

景鵬淵，顧克秋

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

建立輕型火炮彈炮耦合有限元動力學模型，采用控制單一變量變化的方法，研究后坐體質量、質心位置、動力偶臂變化對彈丸起始擾動的影響。通過動力學計算，減小炮口制退器質量和動力偶臂以及保證后坐體質心位于前后支點之間對降低彈丸起始擾動是有利的，為輕型火炮后坐體結構參量合理匹配提供參考。

后坐體；質量；質心；動力偶臂；彈丸起始擾動

火炮是一種身管射擊武器，彈丸受膛壓作用在膛內運動并獲得一定的初速，同時使后坐體軸向運動。由于彈丸在膛內與身管膛線的耦合作用，后坐體結構參量必然對彈丸起始擾動產生影響。彈丸起始擾動是影響火炮射擊密集度的重要因素，由出炮口時刻的角位移、角速度構成，降低彈丸起始擾動對提高射擊密集度是有利的。

目前，通過多柔體系統動力學或者結構動力學有限元模型研究后坐體結構參量對炮口振動影響的文獻較多，研究后坐體結構參量對彈丸起始擾動影響的文獻相對較少。梁傳建等[1]建立了某大口徑火炮上裝部分有限元動力學模型，以降低炮口振動為目標，利用遺傳算法進行火炮總體結構參數動力學優化；蔡文勇等[2]建立某車載炮多柔體系統動力學模型，研究了動力偶臂、導軌間隙等結構參量對炮口振動的影響；李睿[3]建立后坐運動微分方程和內彈道方程，對后坐體質量估算值進行調整與優化，使后坐長、后坐速度等運動性能滿足指標要求。

本文通過建立某大口徑輕型火炮彈炮耦合有限元動力學模型，研究火炮設計工作中比較重要的一些后坐體結構參量，對彈丸起始擾動的影響規律，為后坐體結構參量合理匹配提供一定的參考。

1 彈炮耦合有限元動力學模型

1.1 基本假設

在火炮發射過程中，膛內時期彈丸與膛線之間的相互作用機理十分復雜。未發射前彈丸與身管裝配關系如圖1所示。在構建彈炮耦合有限元動力學模型時作以下基本假設[4-5]：

1) 不考慮彈丸擠進過程，即彈帶已預先切割出刻痕并已完全擠入膛線；

2) 不考慮火藥燃氣高溫的影響；

3) 考慮彈丸前定心部與身管內壁陽線的間隙的影響；

4) 考慮重力的影響，即考慮身管預彎。

圖1 彈丸與身管耦合關系

1.2 后坐體建模策略

后坐體可以視為由炮尾部分、身管及炮口制退器三部分構成，其中炮尾部分包括炮尾、炮閂和參與后坐運動的部分反后坐裝置。

質點系質量分布中心位置即為質點系的質心，僅與各質點的大小和分布的相對位置有關，假設質點系由n個質點組成，質量分別為m1,m2,…,mn，其質心相對于固定坐標系的矢徑分別為r1,r2,…,rn，則質點系的質心矢徑rσ為：

(1)

將構件的質量通過集中質量代換，并且使代換質量與原有質量在動力學上等效，稱為質量代換[6]。因此，通過調整各部分質量屬性即可以實現對后坐體質量、質心位置的控制。

當有限元模型中某些部分的變形可以忽略不計或者對結果影響較小時，將其視為剛體可以有效提高計算效率和簡化模型，并且不會影響整體計算結果[7]。本文著重研究后坐體結構參量對彈丸起始擾動的影響，在發射過程中炮尾部分、炮口制退器的變形忽略不計。因此，將炮尾部分、炮口制退器作為剛體處理，帶膛線的身管則運用Hypermesh軟件劃分網格作為柔體處理，通過將炮尾部分、炮口制退器與身管對應位置的節點耦合構成完整的后坐體。

1.3 彈炮耦合全炮有限元動力學模型

某大口徑輕型火炮由后坐體、反后坐裝置、搖架、高平機、上架、座圈、下架、前大架和后大架等組成。

在建立彈炮耦合有限元動力學模型時，后坐體采用前文所述的剛柔耦合，架體部分采用殼單元模擬，各部件之間的相互作用關系通過建立接觸與連接器單元實現。復進機、制退機通過有限元軟件二次開發調用所編寫的用戶子程序加載；高平機通過等效剛度的單軸連接器模擬；座圈之間的連接關系簡化為六自由度等效剛度連接器；土壤采用摩爾-庫倫模型，下架與土壤建立接觸關系，前大架、后大架與土壤的作用關系通過質量-彈簧-阻尼集中參數模型模擬；將土壤和地面參考點完全約束。

通過隱式求解器獲得重力場下的初始發射狀態即考慮了身管預彎現象，再利用顯式求解器對發射過程進行求解。發射過程中在彈底與身管內膛上分別施加彈底壓力、坡膛壓力和膛底壓力；彈炮耦合全炮有限元動力學模型如圖2所示。

本文選取裝藥條件為底凹彈、高溫，選取該輕型火炮的最大射程角狀態，即射角48°/方向角0°的射擊工況進行動力學仿真計算。對后坐部分規定局部坐標系，與身管軸線重合的坐標軸為x軸，其正方向為炮口方向，與身管軸向垂直且向上為y軸正方向，z軸方向根據右手定則確定。

圖2 彈炮耦合全炮有限元模型

2 后坐體結構參量對彈丸起始擾動的影響

2.1 彈丸起始擾動評價函數

選用彈丸起始擾動參量變化表征輕型火炮的射擊密集度，彈丸起始擾動參量由彈丸出炮口時刻的彈丸質心在俯仰、回轉方向的角位移、角速度構成，采用線性加權和歸一化方法處理，構造針對彈丸起始擾動的評價函數[4-5]：

(2)

式(2)中:θz、θy為彈丸在俯仰方向和回轉方向的角位移；ωz、ωy為彈丸在俯仰方向和回轉方向的角速度；θz0、ωz0、θy0、ωy0取后坐體結構參量為原始總體方案時相對應的彈丸起始擾動參量，顯然，原始總體方案的彈丸起始擾動評價函數值f=1.00；c1～c4為加權系數，其值之和為1，根據以往經驗及相關文獻介紹，一般取值為c1=c2=0.3，c3=c4=0.2。

本文采用控制單一變量變化的試驗枚舉法研究后坐體機構參量對彈丸起始擾動的影響，即改變某一部分的某個結構參量時，其他結構參量不變。

2.2 炮口制退器質量的影響

炮口制退器是炮身的重要組成部分，其結構在上下、左右方向具有對稱性。因此，本文以質量系數MPK表示仿真炮口制退器質量與真實炮口制退器質量的比值，著重研究炮口制退器質量變化對彈丸起始擾動的影響。

基于前文所述彈炮耦合全炮有限元動力學模型，修改炮口制退器質量，分別進行動力學計算。計算結果如表1所示，繪制炮口制退器質量系數MPK與彈丸起始擾動評價函數f值的曲線如圖3所示。

表1 炮口制退器質量系數變化的影響

圖3 炮口制退器質量系數變化對彈丸起始擾動的影響

根據表1和圖3可以看出：當炮口制退器質量減小時，彈丸起始擾動總體上呈現減小的趨勢。因此，在進行火炮總體設計時，從降低彈丸起始擾動的角度分析，較小的炮口制退器質量對降低彈丸起始擾動是有利的。

2.3 炮尾部分質量及動力偶臂的影響

炮尾部分是后坐體中結構較為復雜且質量較大的一部分，其質量的變化對后坐體質量、質心位置有較大的影響[8]。

對于輕型火炮而言，如何實現輕量化設計并且充分挖掘減重空間是非常重要的。炮尾部分質量在后坐體中占有較大比值，其質量變化對火炮性能的影響值得研究。

動力偶臂是影響火炮性能的重要參數，炮尾部分質量在后坐體中占有較大比值，并且其結構較為復雜，可以通過調整其質心在上下方向的位置實現對后坐體動力偶臂的調整[9]；由于本文所研究的輕型火炮采用反后坐裝置上下布置的方式，其后坐體具有左右對稱的特征，因此對后坐體質心位置在左右方向的變化不做研究。

研究炮尾部分質量屬性對彈丸起始擾動的影響主要集中在如下兩個方面：炮尾部分質量變化、炮尾部分質心位置上下變化導致的動力偶臂變化。

在彈炮耦合全炮有限元動力學模型中僅僅改變炮尾部分質量，通過動力學計算，以質量系數MPW表示仿真炮尾部分質量與真實炮尾部分質量的比值，得到彈丸起始擾動隨質量系數MPW變化的計算結果如表2所示，繪制炮尾部分質量系數MPW與彈丸起始擾動評價函數f的曲線如圖4所示。

表2 炮尾部分質量系數變化的影響

圖4 炮尾部分質量系數變化對彈丸起始擾動的影響

根據表2和圖4可以看出：增加炮尾部分的質量，彈丸的起始擾動隨之減小；另一方面，減小炮尾部分的質量，彈丸的起始擾動增幅并不明顯。由此可見，對于該型火炮，炮尾部分存在一定的減重余地。

僅僅在上下方向移動炮尾部分質心，從而在保證后坐體質量不變的前提下改變后坐體質心的偏心距，即改變動力偶臂。通過動力學計算，彈丸起始擾動評價函數f值隨動力偶臂e值變化的計算結果如表3所示，繪制動力偶臂e值變化與彈丸起始擾動評價函數f值的曲線如圖5所示。

表3 動力偶臂變化的影響

圖5 動力偶臂對彈丸起始擾動影響

根據表3和圖5可以看出：一方面，當后坐體的動力偶臂變在10 mm之內變化時，彈丸起始擾動變化范圍不大；另一方面，當動力偶臂e值較小時彈丸起始擾動相對較小。

當前的總體方案中，各部分質量、質心位置通過匹配確定動力偶臂e=0.1 mm，在所研究的動力偶臂樣本方案中的彈丸起始擾動最小。因此，在進行火炮總體方案布局時，減小動力偶臂e值是降低彈丸起始擾動的重要方法。

2.4 后坐體質心前后變化的影響

為保證射擊穩定性，輕型火炮在設計時，質量分配系數(后坐體質量與全炮質量的比值)相對較高，一般為0.5～0.55，并且在總體布局上具有全炮質心前移的特點[11]。搖架前套箍作為支撐身管的重要結構，不僅關系到架體結構是否緊湊，而且前支點與后坐體質心的相對位置關系對火炮射擊密集度的影響也需要重點考慮。

在不改變搖架、身管結構的前提下，通過匹配其余部分的質量，保證后坐體質量不變，質心位置僅在前后方向移動。計算結果如表4所示，繪制后坐體質心前后變化與彈丸起始擾動評價函數f值的曲線如圖6所示，圖6中橫坐標的實際意義是指后坐體質心相對于前套箍位置在前后方向(x軸方向)的距離。

表4 后坐體質心前后變化的影響

根據表4和圖6可以看出：在不影響架體布局的前提下，控制后坐體質量不變，當后坐體質心位于前支點之前時，由于后坐過程中搖架支撐后坐體的方式會發生變化，滑塊與導軌、身管與前套箍的接觸狀態隨之發生變化，彈丸起始擾動相對較大；當后坐體質心位于前后支點之間時，彈丸起始擾動隨后坐體質心后移而呈現減小的趨勢。

在考慮火炮總體布置時，保證后坐體質心落在身管前后支撐點之間，能降低彈丸起始擾動，有利于提高火炮設計密集度，這與傳統設計經驗一致[2,10]。

圖6 后坐體質心前后變化對彈丸起始擾動的影響

3 結論

1) 炮口制退器質量較小對降低彈丸起始擾動有利；

2) 減小動力偶臂e值對降低彈丸起始擾動非常重要；

3) 在進行火炮總體方案設計時，應盡量保證后坐體質心位置落在前后支點之間，避免后坐體質心位置位于前支點之前，這樣有利于降低彈丸起始擾動。

4) 研究結果對面向射擊密集度的輕型火炮總體設計具有一定的參考價值。

[1] 梁傳建，楊國來，王曉峰.基于神經網絡和遺傳算法的火炮結構動力學優化[J].兵工學報，2016(5)：789-794.

[2] 蔡文勇，陳運生，楊國來.車載火炮炮口擾動影響因素分析[J].南京理工大學學報,2005(6)：658-661.

[3] 李睿.管退式自動機的后坐體質量優化計算方法[J].兵器裝備工程學報,2014(5)：36-38.

[4] 李強，顧克秋，王力.影響彈丸起始擾動的火炮結構參數靈敏度分析與優化研究[J].火炮發射與控制學報,2014(4)：39-43.

[5] 劉成柱，顧克秋，張鑫磊.某車載炮上架剛度對彈丸起始擾動的影響[J].兵器裝備工程學報,2016(6)：24-28.

[6] 張策.機械動力學[M].2版.北京：高等教育出版社,2008.

[7] 莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社,2009.

[8] 潘玉田.炮身設計[M].北京：兵器工業出版社,2007.

[9] 李凱.動力偶臂測量研究[D].長春：長春理工大學,2009.

[10]王寶元.中大口徑火炮射擊密集度研究綜述[J].火炮發射與控制學報,2015(2)：82-87.

[11]張景華，余英，康瑞霞.大口徑輕型火炮關鍵技術[J].火炮發射與控制學報,2010(1)：89-92.

(責任編輯 周江川)

Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance

JING Peng-yuan，GU Ke-qiu

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

A dynamical finite element model based on projectile-barrel coupling was established for a large caliber gun, and the recoilingparts includes breech parts, tube and break. By solving the finite element model with different structure parameters of recoiling parts, the impact of mass, mass center and couple arm on initial projectile disturbance could be identified. Through the dynamics calculation, it reduced the muzzle brake power and ensured the quality and the dipole arm and the projectile initial disturbance between the recoil in the pivot centroid is favorable. This research has the reference significance for the reasonable matching the structure parameters of recoiling parts.

recoiling part; mass; mass center; couple arm; initial projectile disturbance

2016-11-01；

2016-11-15

武器裝備重點預先研究項目(40404050401)

景鵬淵(1992—)，男，碩士研究生，主要從事結構動力學及有限元分析研究;顧克秋(1963—)，男，教授，主要從事火炮總體設計及發射動力學研究。

10.11809/scbgxb2017.02.013

景鵬淵，顧克秋.后坐體結構參量對彈丸起始擾動的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(2):53-56.

format:JING Peng-yuan，GU Ke-qiu.Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):53-56.

TJ302

A

2096-2304(2017)02-0053-04