轉(zhuǎn)管炮身管組內(nèi)傾角對(duì)炮口擾動(dòng)的影響分析

曹 淵，邱志明，崔東華，肖玉杰

(海軍裝備研究院， 北京 100161)

轉(zhuǎn)管炮由多根身管組成，每根身管都有對(duì)應(yīng)的炮閂，炮閂由炮膛外殼體內(nèi)表面的凸輪槽帶動(dòng)作前后滑動(dòng)，完成裝彈、推彈入膛、擊發(fā)、抽殼和拋殼的動(dòng)作。轉(zhuǎn)管炮結(jié)構(gòu)件較多，受力和運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究也比較多。張海洋等基于I-DEAS軟件的Mechanism Design模塊，完成了某轉(zhuǎn)管炮凸輪曲線槽約束下的閂體在曲線槽約束下的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[1]。景銀萍等對(duì)某外能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍擊發(fā)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)某轉(zhuǎn)管機(jī)槍的擊發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，對(duì)多個(gè)重要的參數(shù)進(jìn)行了敏感度分析，得到各參數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)值組合，為武器的改進(jìn)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用[2]。徐健等對(duì)轉(zhuǎn)管炮機(jī)心體導(dǎo)軌傾角進(jìn)行了參數(shù)化研究[3]。李強(qiáng)等對(duì)轉(zhuǎn)管炮旋轉(zhuǎn)發(fā)射慣性對(duì)彈丸起始擾動(dòng)進(jìn)行了建模分析[4]。轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，身管組通常設(shè)計(jì)有內(nèi)傾角，但內(nèi)傾角對(duì)炮口擾動(dòng)的影響規(guī)律尚無(wú)深入研究。本文基于adams動(dòng)力學(xué)軟件和Ansys有限元分析軟件，建立了身管柔性的轉(zhuǎn)管炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了火炮連發(fā)射擊仿真試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)炮膛合力和身管組等效剛強(qiáng)度的分析，發(fā)現(xiàn)了身管組內(nèi)傾角對(duì)豎直和水平方向炮口擾動(dòng)的影響規(guī)律。

1 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

1.1 物理假設(shè)

以某中口徑轉(zhuǎn)管炮為研究對(duì)象，作如下假設(shè)：

1) 火炮與大地固連，不考慮與外界接觸；

2) 全炮結(jié)構(gòu)中身管為柔性體，與炮箱固連，其余均為剛體。身管組由前、中套箍相連，均為固定約束。

3) 考慮自動(dòng)機(jī)炮匣導(dǎo)軌與搖架之間、中套箍與支撐炮架之間的接觸/碰撞；

4) 反后坐裝置為液壓彈簧系統(tǒng)，提供的彈簧力和液壓阻力分別為搖架和自動(dòng)機(jī)相對(duì)位移和相對(duì)速度的函數(shù)；

5) 在炮匣與炮箱之間添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，模擬火炮轉(zhuǎn)速。

1.2 模型設(shè)置

考慮身管組內(nèi)傾角為0°、0.2°、0.4°、0.6°和0.8°五種情況，自動(dòng)機(jī)其余部分結(jié)構(gòu)保持不變。自動(dòng)機(jī)部分模型如圖1所示，忽略了供彈、上架和基座等部分。建立整體坐標(biāo)系，自動(dòng)機(jī)軸線指向尾部方向?yàn)閦軸，豎直向上為y軸，水平方向?yàn)閤軸，取右手系。

圖1 自動(dòng)機(jī)部分

圖2和圖3給出了自動(dòng)機(jī)身管組內(nèi)傾角為0°和0.8°的正視圖和側(cè)視圖。火炮射速為600發(fā)/min，擊發(fā)位置點(diǎn)在圖2中所示正視圖炮箱平面的約5點(diǎn)鐘位置。進(jìn)行2 s，20連發(fā)長(zhǎng)連射模擬仿真試驗(yàn)。

圖2 自動(dòng)機(jī)身管組正視圖

1.3 載荷設(shè)置

1) 炮膛合力

轉(zhuǎn)管炮將多根身管在圓周方向均勻排列，若有n根身管，則相鄰身管之間在圓周上的夾角為360°/n，也就是說(shuō)前一根身管在擊發(fā)位置擊發(fā)后，轉(zhuǎn)過(guò)360°/n，下一相鄰的身管擊發(fā)，身管組旋轉(zhuǎn)1周，發(fā)射n發(fā)彈藥。擊發(fā)起始時(shí)刻可以寫成旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)。

圖3 自動(dòng)機(jī)身管組側(cè)視圖

沿著身管組的旋轉(zhuǎn)方向，將身管依次進(jìn)行編號(hào)，建立第1根身管與擊發(fā)位置點(diǎn)的相對(duì)角位移測(cè)量，記為：MEA_ANGLE，第i根身管與第1根身管在圓周方向相差(i-1)360°/n，根據(jù)轉(zhuǎn)速即可得到每根身管與上一次擊發(fā)時(shí)刻的時(shí)間差，結(jié)合ADAMS中的AINT()和AKISPL()函數(shù)[5]，炮膛合力的表達(dá)式為：

(1)

式中：r為膛底半徑；DV為轉(zhuǎn)速參數(shù)化變量；i為身管編號(hào)；n為身管總數(shù)；p_t為膛壓曲線，可以通過(guò)內(nèi)彈道計(jì)算程序以及裝填條件計(jì)算獲得，也可以通過(guò)射擊試驗(yàn)測(cè)得，本炮的膛底壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4 膛底壓力隨時(shí)間變化的曲線

2) 接觸力

當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件的表面之間發(fā)生接觸時(shí)，這兩個(gè)構(gòu)件就會(huì)在接觸的位置產(chǎn)生接觸力。在中口徑轉(zhuǎn)管炮系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真中，接觸力的設(shè)定是重要部分，因?yàn)樽詣?dòng)機(jī)的炮匣導(dǎo)軌與搖架之間，以及身管組中套箍與支撐炮架的接觸都是產(chǎn)生和影響炮口擾動(dòng)的重要原因。在火炮武器射擊過(guò)程中，接觸件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為激烈，因此在模型中選擇ADAMS的沖擊函數(shù)法(Impact)來(lái)計(jì)算接觸力，模型計(jì)算公式[5]為：

(3)

式中：F為法向接觸力；K為Herts 接觸剛度；C為阻尼系數(shù)；δ為接觸點(diǎn)法向穿透距離；d0為阻尼力過(guò)渡區(qū)間；Δ=δ/d0；e為不小于1的指數(shù)。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 內(nèi)傾角對(duì)炮膛合力的影響

當(dāng)身管組內(nèi)傾角為0°時(shí)，炮膛合力沿著Z軸方向，與身管軸線重合，水平x軸和豎直y軸方向的分量為0。當(dāng)身管組內(nèi)傾角不為0°時(shí)，炮膛合力的方向隨內(nèi)傾角的改變而改變，且與身管軸線重合，此時(shí)在水平x軸和豎直y軸方向的分量不為0。

圖5給出了內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力z軸方向分量的峰值約為1.463 1e6 N。圖6給出了內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力x軸方向分量的峰值約為12 912 N。圖7給出了內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力y軸方向分量的峰值約為25 615 N。隨著內(nèi)傾角增大，z軸方向分量減小，x軸和y軸方向分量增大。

圖5 內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力沿z軸方向的分量

圖6 內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力沿x軸方向的分量

圖7 內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮膛合力沿y軸方向的分量

2.2 內(nèi)傾角對(duì)炮口擾動(dòng)的影響

身管炮口擾動(dòng)體現(xiàn)了火力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)射擊精度的影響，身管在發(fā)射過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，因此，以身管前端點(diǎn)相對(duì)與后端點(diǎn)的形變位移量來(lái)表征炮口擾動(dòng)。

2.2.1 y軸方向的炮口擾動(dòng)

圖8、圖9和圖10分別給出了內(nèi)傾角為0°、0.4°和0.8°時(shí)，轉(zhuǎn)管炮其中1根身管沿y軸方向炮口擾動(dòng)變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖。圖11給出了5種內(nèi)傾角條件下的炮口擾動(dòng)y軸方向分量的變化曲線。分析結(jié)果可得：

圖8 內(nèi)傾角為0°時(shí)，炮口擾動(dòng)沿y軸方向變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖

圖9 內(nèi)傾角為0.4°時(shí)，炮口擾動(dòng)沿y軸方向變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖

圖10 內(nèi)傾角為0.8°時(shí)，炮口擾動(dòng)沿y軸方向變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖

1) 炮口擾動(dòng)的極值點(diǎn)緊隨炮膛合力的極值點(diǎn)出現(xiàn)，表明炮膛合力是引起炮口擾動(dòng)的外部激勵(lì)。

2) 極值點(diǎn)過(guò)后，在相鄰兩條炮膛合力的峰值之間，炮口擾動(dòng)曲線逐步收斂。隨著內(nèi)傾角的增大，擾動(dòng)收斂的速度先減小后增大。

3) 從圖11看出，內(nèi)傾角為0°、0.2°、0.4°、0.6°和0.8°時(shí)，炮口擾動(dòng)的變化幅值分別約為3.7 mm、4.5 mm、4 mm、5 mm和4.5 mm。隨著內(nèi)傾角的增大，擾動(dòng)幅值也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

這是由于影響炮口擾動(dòng)的原因可以分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素為炮膛合力，隨著內(nèi)傾角增大，炮膛合力沿y軸方向的分量增大，使得身管y軸方向的擾動(dòng)幅度增大，收斂速度變慢；內(nèi)部因素為身管組本身的等效剛強(qiáng)度，身管組由前、中套箍固定，并與炮箱固連，可以認(rèn)為身管組是一體的，運(yùn)動(dòng)是同步的，隨著內(nèi)傾角增大，整體的等效剛強(qiáng)度增大，使得身管的擾動(dòng)幅度減小，收斂速度變快。基于上述兩個(gè)因素對(duì)身管擾動(dòng)的影響是相反的，在內(nèi)傾角增大的過(guò)程中，首先內(nèi)部因素(等效剛強(qiáng)度)占主導(dǎo)作用，擾動(dòng)減弱，隨著內(nèi)傾角進(jìn)一步增大，外部因素(炮膛合力的分量)占主要作用，使得擾動(dòng)增強(qiáng)。因此，隨著內(nèi)傾角增大，炮口擾動(dòng)先減小后增大。

2.2.2 x軸方向的炮口擾動(dòng)

圖12和圖13給出了內(nèi)傾角為0°和0.8°時(shí)，轉(zhuǎn)管炮其中1根身管沿x軸方向炮口擾動(dòng)變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖。圖14給出了5種內(nèi)傾角條件下的炮口擾動(dòng)x軸方向分量的變化曲線。分析結(jié)果如下：

1)x軸方向(水平方向)明顯小于y軸方向(豎直方向)的擾動(dòng)幅值，這與火炮射擊豎直方向散布大于水平方向散布的規(guī)律是一致的。

2) 隨身管組內(nèi)傾角的變化，x軸方向的幅值變化不大。這是由于本身x軸方向的擾動(dòng)就比較小，而且，在5點(diǎn)鐘方向的擊發(fā)位置點(diǎn)，炮膛合力的y軸分量較大，x軸分量較小，所以導(dǎo)致水平方向的擾動(dòng)變化不是很明顯。

圖11 內(nèi)傾角為0°、0.2°、0.4°、0.6°和0.8°時(shí)，y軸方向的炮口擾動(dòng)

圖12 傾角為0°時(shí)，炮口擾動(dòng)沿x軸方向變化曲線和5個(gè)身管炮膛合力變化曲線的組合圖

圖14 內(nèi)傾角為0°、0.2°、0.4°、0.6°和0.8°時(shí)，x軸方向的炮口擾動(dòng)

3 結(jié)論

1) 隨著身管組內(nèi)傾角增大，身管組等效剛強(qiáng)度增大，炮口擾動(dòng)減小；炮膛合力的水平和豎直分量增大，炮口擾動(dòng)增強(qiáng)。二者對(duì)炮口擾動(dòng)的影響相反。

2) 在不同身管組內(nèi)傾角條件下，炮口擾動(dòng)都是豎直分量較大，水平方向較小，與射彈散布的規(guī)律一致。

[1] 張海洋,呂志民,楊宏亮.某型轉(zhuǎn)管炮凸輪曲線槽約束下的閂體運(yùn)動(dòng)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2007,29(A01):64-66.

[2] 景銀萍,楊臻,李強(qiáng),等.某外能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍擊發(fā)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(12):153-157.

[3] 徐健,薄玉成.轉(zhuǎn)管炮機(jī)心體導(dǎo)軌傾角的參數(shù)化研究[J].彈道學(xué)報(bào),2010(3):26-29.

[4] LI Qiang,BO Yucheng,DUO Yinxian.Influence of Rotating Effect on Initial Bullet Disturbance In Gatling Guns[J].Journal of Ballistics,2005,17(4):88-92.

[5] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.