某火炮反后坐裝置布局方案數值模擬分析

于情波，劉俊民，楊國來，蕭 輝，陳 宇

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014000)

某火炮反后坐裝置布局方案數值模擬分析

于情波1，劉俊民2，楊國來1，蕭 輝1，陳 宇1

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014000)

反后坐裝置布局對火炮的總體性能有重要影響，為了定量分析不同反后坐裝置布局方案，建立了某火炮反后坐裝置典型布局方案的有限元模型，對火炮主要架體進行了結構剛強度數值計算和對比分析。研究表明制退機和復進機空間對稱布局方案有利于提高火炮剛強度，進一步的非線性有限元動力學數值計算及分析表明，這種布局方案也有利于減小對炮口振動的影響。

機械設計；反后坐裝置布局；有限元；剛強度分析；非線性動力學；炮口振動

大威力是現代火炮的重要發展方向之一，如何有效地控制發射載荷沿炮架傳遞的規律成為火炮設計研究的重要課題。對火炮架體剛強度分析常采用有限元分析方法，對分析部件進行離散建模，計算分析發射載荷對火炮架體的剛強度的影響，并參考數值分析結果驗證結構設計的可靠性[1-3]?；鹋诎l射載荷通過反后坐裝置傳遞給火炮架體，造成架體一定的彈性變形，火炮架體剛彈耦合運動引起的炮口振動關系到火炮的射擊精度，對于炮口振動的研究得到了高度的重視。張春梅等[4]在ADA-MS軟件中計算分析了彈丸和身管之間接觸/碰撞對炮口振動的影響。李雷等[5]研究分析了上架與座圈聯接螺栓的松緊程度對炮口振動的影響。張金龍等[6]分析了高低機接觸間隙所引起的結構非線性對炮口振動的影響規律。張俊飛等[7]考慮了諸多參數對炮口擾動的影響，通過靈敏度分析獲得了各因素對炮口擾動的影響程度。梁傳建等[8]則應用非線性有限元理論研究了復進機和駐退機的不同固定方式和不同布局位置對炮口振動的影響規律，文中針對制退機和復進機布局位置對炮口振動的影響雖然構建了3種方案，但這3種方案只討論了單制退機單復進機同側布局的情況。

鑒于搖架結構的幾乎對稱性以及制退機力與復進機力的不對稱性，從力學角度分析制退機與復進機不同的布局方案會對結構剛強度以及動態響應產生不同的影響。筆者針對某火炮的4種關于身管軸線中心對稱的反后坐裝置布局方案，采用有限元分析方法，計算分析了不同反后坐裝置布局對火炮主要架體的剛強度影響；在結構剛強度分析的基礎上，建立了非線性動力學模型，研究分析了不同反后坐裝置布局對炮口振動的影響，為提高火炮相關性能提供了一定的參考價值。

1 反后坐裝置布局方案的有限元模型

1.1 反后坐裝置布局方案

對于承受強沖擊載荷的火炮部件，結構的剛強度與材料屬性、材料分布以及載荷作用位置等因素有關。以某122 mm榴彈炮為研究對象，針對反后坐載荷作用位置對結構靜動態響應的影響設定了4種方案，如圖1所示。

方案1和方案4均為單制退機單復進機布局，方案1布置在身管軸線上側，而方案4則布置在下側。方案2為雙制退機雙復進機對稱布局。方案3為雙制退機單復進機對稱布置。

4種方案中，后坐位移及后坐阻力規律基本一致。雙制退機或雙復進機的質量大于單個制退機或復進機的質量，且不同布局的反后坐裝置與搖架之間的連接結構有一定的差異，因此4種方案的搖架及反后坐裝置的質量也存在一定的差異，其質量分別為536、605、578、536 kg。

1.2 炮架有限元模型

上架與搖架結構主要采用等參四邊形單元和等參六面體單元。對于不重要的附屬機構以集中質量單元模擬，通過剛性單元與相鄰節點連接模擬質量分布對結構強度的影響。不考慮模型本身復雜的接觸碰撞關系，忽略部件之間的裝配間隙，相互作用部件用連續單元表示。平衡機簡化為彈簧單元，采用自由度耦合的方式定義搖架耳軸與上架耳軸室接觸部位以模擬搖架與上架之間的相互轉動關系，高低機齒輪齒弧表面的接觸采用剛性單元連接進行處理。根據實體模型準確的幾何尺寸以及相對位置建立其結構剛強度分析模型，其有限元網格圖如圖2所示，整個模型共有單元58 124個，節點57 717個。

2 炮架結構剛強度對比分析

進行炮架結構剛強度數值計算時，忽略系統內部構件接觸碰撞產生的內力以及摩擦力，僅考慮系統的重力、反后坐裝置作用于搖架上的制退機力和復進機力、后坐部分反作用于前后襯瓦的法向作用力以及平衡機力，邊界條件的處理方式為上座圈與下座圈接觸表面的6個自由度剛性固定約束。對4種方案分別進行結構剛強度分析得到的計算結果如表1所示。

表1 不同反后坐裝置布局下結構剛強度分析結果

計算結果可以發現，在僅改變反后坐裝置布局的情況下，不同的方案會對結構剛強度造成不同的影響。從計算結果中分析可知，結構的最大應力以及最大變形隨著反后坐載荷作用線到身管軸線的下方距離增加呈現逐漸降低的趨勢。左右耳軸中心孔變形在4種計算方案下也分別呈現逐漸降低的趨勢，耳軸中心孔變形的變化趨勢同樣可以代表結構的剛度變化趨勢。以上分析可以驗證反后坐裝置不同的布局方案完全可以影響結構的剛強度，并且反后坐載荷布置在身管軸線的下側可以改善結構的剛強度。從力學角度分析，在反后坐載荷大小和方向不變的情況下，不同的載荷作用位置會對作用構件產生不同的力矩。反后坐載荷作用線處于身管軸線下側時會產生更小的力矩，從而改善結構的應力應變大小。

耳軸中心孔變位差會導致火炮發射時身管的振動幅度變大，從而影響火炮的射擊密集度。從計算結果可知:采用第2種方案，載荷對稱布置，其變位差值較?。徊捎玫?種方案，制退機力與復進機力分別布置在左右兩側，其變位差值較大?；鹋谏霞芎蛽u架的結構基本對稱，而其所受的復進機力和制退機力的大小相差較大，從而產生一定的扭矩，造成架體產生一定的扭轉變形。第2種方案采用雙制退機雙復進機中心對稱布局的模式，其載荷比較均勻的作用于架體兩側，左右耳軸中心孔變位差呈現較小的狀態，從而驗證反后坐載荷對稱布局可以改善架體彈性變形對于火炮射擊密集度的影響。

3 有限元非線性動力學分析

基于結構剛強度分析結果，反后坐裝置不同布局對搖架耳軸變位差造成不同程度的影響，耳軸變位差導致火炮在射擊時身管前端產生一定的擾動，影響火炮的射擊精度。火炮發射載荷作用過程是一個高度非線性動力學過程，對火炮關鍵部件做動態有限元分析比結構有限元分析的意義更大，動態有限元分析能夠比較真實地模擬實際發射過程中部件的工作情況。通過非線性動力學數值仿真可以得到不同反后坐裝置布局引起的架體變形對炮口振動的影響。

3.1 部件之間的連接關系建模

在結構剛強度分析有限元模型的基礎上構建非線性動力學模型，火炮各個零部件之間通過復雜的接觸連接建立起相互作用關系。在有限元模型中一般通過軟件本身提供的一些標準連接關系對其進行簡化處理。將復雜的多自由度動力學系統簡化以便于有限元計算分析，主要部件之間的接觸連接關系如圖3所示。身管與襯套之間的接觸碰撞釆用面對面的接觸進行定義；炮尾與反后坐裝置之間則采用自由度耦合的方式模擬后坐部分在炮膛軸線方向的滑移運動，僅釋放炮膛軸線方向的平移自由度，其他自由度均約束不動。

3.2 數值計算結果與分析

采用結構分析時火炮的射擊條件，為模型施加動載荷以模擬實際發射過程。采用隱式積分算法對發射過程中火炮的動態響應進行數值計算。以炮口垂直方向位移Uy與角位移θz、水平方向位移Uz與角位移θy表征動態載荷對炮口振動的影響，表2列出了4種不同方案下彈丸出炮口時刻對應的炮口最大振動量，圖4～7分別為炮口垂直方向和水平方向的位移與角位移在整個仿真過程中的動態變化曲線。(此處，x軸沿身管軸線并指向炮口方向，y軸垂直向上，z軸右手定則)。

表2 彈丸出炮口時刻對應的炮口最大振動量

比較分析炮口振動量動態變化曲線可以發現，不同的反后坐裝置布局對炮口振動會造成不同程度的影響，在整個動態過程中4種方案對應的炮口振動量變化規律比較一致。在動態分析的起始階段，由于后坐速度與后坐位移較小，后坐運動引起的后坐阻力對火炮架體造成的變形并不明顯。隨著發射過程的進行，后坐阻力隨著后坐速度與后坐位移的增大而增大，反后坐裝置布局對炮口振動的影響越發明顯。在整個動態過程中，方案2對應的炮口擾動量變化過程較其他方案穩定，且量值呈現較小的狀態。對比分析彈丸出炮口時刻對應的炮口振動量可知，方案2對應的炮口振動量值小于其他方案。

綜合上述分析可以說明,方案2即雙制退機雙復進機中心對稱布局在對炮口振動的影響方面要優于其他方案。

4 結論

通過對某火炮不同反后坐裝置布局方案進行有限元數值計算和對比分析，發現反后坐裝置布局會對火炮結構的剛強度以及炮口振動造成一定的影響。其中，反后坐裝置布局在身管軸線下端可以有效改善火炮結構的剛強度，而反后坐裝置均勻對稱布局可以有效削減火炮架體彈性變形的不對稱性，有效減小炮口擾動，從而提高火炮射擊精度。筆者僅對反后坐裝置布局方案進行了初步的數值計算分析，尚未考慮對與反后坐裝置相關的其他構件總體布局以及其對火炮主要架體結構設計的影響，還需要進行相應的試驗驗證研究。

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Numerical Simulation Analysis of Different Recoil Device Arrangements of a Gun

YU Qingbo1, LIU Junmin2，YANG Guolai1, XIAO Hui1, CHEN Yu1

(1.School of Mechanical Engineering, NUST，Nanjing 210094,Jiangsu,China;2.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co.Ltd., Baotou 014000, Inner Mongolia, China)

The arrangement of anti-recoil mechanism has a profound impact on the overall performance of artillery. For the purposes of quantitatively analyzing different arrangement schemes of the anti-recoil mechanism, established was the finite element model based on the typical arrangement scheme of the anti-recoil mechanism with the structural stiffness strength numerical calculation and comparative analysis of the artillery main carriage parts conducted. Results show that the space symmetrical arrangement scheme of recoil brakes and counter-recoil mechanism will help improve the stiffness and strength of artillery. The further numerical calculation and analysis of nonlinear finite element dynamics show that the arrangement scheme also helps to reduce muzzle vibration.

mechanical design; recoil device arrangement; finite element; stiffness strength analysis; nonlinear dynamics; muzzle vibration

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.003

2016-04-06

國家自然科學基金項目(11572158)

于情波(1990—)，男，博士研究生，主要從事火炮結構動力學研究。E-mail：yqb182@163.com

TJ303

A

1673-6524(2017)01-0012-05