虛擬樣機技術在火炮裝備原理課程教學中的應用

楊玉良 吳大林 李鵬

摘 要：針對火炮裝備原理課程概念性強，理論性強，難點多的特點，在教學過程中引入虛擬樣機技術，建立火炮裝備仿真模型，直觀清晰地展現裝備原理特性，使學員更容易理解掌握理論知識，提高教學效果。

關鍵詞：火炮裝備 原理課程 虛擬樣機技術

一、火炮裝備原理課程特點

火炮裝備原理課程主要講授火炮系統炮身、反后坐裝置、自動機等主要部組件結構組成及工作原理。課程涉及彈塑性力學、流體力學、氣體動力學、分析力學等相關知識，概念性強，理論性強，難點很多。突出的特點是符號多、公式多、方程復雜，對學員數學和力學方面的知識儲備要求很高^[1]。以往教學過程中，通常是推導方程和公式，然后進行一些結合實際的定性分析。這種教學方式，一方面方程公式比較復雜，推導計算較為困難，另一方面不便于定量、直觀分析裝備結構及性能情況。

二、 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術（Virtual Prototype Technology）是當前機電液設計、制造領域的一門新技術，涉及多體系統動力學、流體力學、自動控制、計算方法與軟件工程多學科專業，能夠基于計算機軟件建立產品系統三維實體模型和力學模型，進行系統性能分析和評估，從而為物理樣機設計與制造提供科學合理的依據。

虛擬樣機分析軟件不僅可以進行機械系統運動學和動力學分析，還包含以下技術：

（1）幾何形體的計算機輔助設計（CAD）技術。用于機械系統的幾何實體建模。

（2）有限元分析（FEA）技術。采用有限元法，分析機械系統各單元節點在一定載荷、邊界條件下的應力強度情況。

（3）控制系統設計與分析技術。運用控制理論，進行機械系統的動力學仿真分析。

（4）優化分析技術。通過優化分析，確定機械系統最佳設計結構參數，獲得最優的綜合性能。

三、 虛擬樣機技術應用案例

1. 基于有限元的身管溫升仿真分析

火炮射擊時，膛內火藥燃燒，最大膛壓可高達700Mpa，最高溫度可達到3000℃?；鹋谶B續射擊時，熱量不斷由火藥燃氣傳遞到內壁，且在身管壁內積累，致使身管內壁溫度快速上升。當內壁溫度達到一定值后，身管內膛的燒蝕磨損率陡然升高，加快身管內膛的燒蝕磨損進程，會使得火炮的彈道性能不斷下降，最終導致身管壽命的提前終結^[2]。

針對身管在射擊過程中的溫升情況，可結合有限元軟件ANSYS，建立身管的有限元仿真模型，如圖1所示，開展仿真講解。

根據火炮射速不同，分為3種射擊模式進行仿真分析。仿真結果如表1所示。

由表1可看出，急速射情況下，身管內外壁均最高;混合射擊模式次之，持續射擊模式溫度最低。因此為防止身管溫度過高，保證身管使用壽命，需要嚴格按照射擊規范中所規定的發射速度進行射擊。

2. 基于多體動力學的火炮系統后坐運動仿真分析

火炮系統在后坐過程中，受到炮膛合力F_pt、復進機力F_f、制退機液壓阻力φ₀、反后坐裝置緊塞具摩擦力F、搖架摩擦力F_T等作用^{[3， 4]}。后坐運動方程為

式中，m_h為后坐部分質量;x為后坐位移;為射角。

火炮系統受力較為復雜，通過解算方程分析后坐運動較為困難?？苫趧恿W仿真軟件ADAMS，建立火炮系統的動力學仿真模型，如圖2所示。開展仿真講解。

基于仿真模型，可以仿真分析火炮的后座運動情況，載荷變化情況。同時也可以分析出炮口振動、火炮射擊穩定性以及火炮后座運動的影響因素，如裝藥量、溫度、射角等。后坐位移曲線如圖3所示。

3. 基于流體力學的反后坐裝置流場仿真分析

反后坐裝置在后坐過程起到消耗及儲存后坐能量，且推動后坐部分恢復原位的重要作用。在后坐能量消耗方面，制退機液壓阻力占到70%。駐退機腔室結構復雜，液體在后坐時，最大流動速度達到100m/s以上。針對制退機在后坐時的腔室液體流動、液體壓力等，可結合流體力學軟件Fluent，建立仿真計算模型，進行仿真講解。

制退機內部零部件結構復雜，尺寸較小，首先在保證數值模擬精度的前提下，對其進行簡化，保持主要尺寸和特征不變;然后利用Fluent前處理軟件Gambit對計算區域進行劃分網格，設置邊界條件，建立仿真模型^[5]。

基于仿真模型，可以仿真分析出制退機內各腔室的壓力變化情況，液體流速情況。不同時刻活塞區域壓力云圖如圖4所示。根據腔室內流場情況，可以計算出制退機液壓阻力，同時也可以分析出制退機內部流速、壓力較大的位置，為裝備維護保障提供參考。

結語

根據火炮裝備原理課程特點，引入虛擬樣機技術，結合研究對象，建立火炮系統及部組件的多體動力學、流體力學、有限元等不同類型的仿真模型，仿真分析在不同工況下的受力、應力、后坐運動，以及炮口振動、射擊穩定性等。較于傳統教學方式的方程公式推導，更直觀清晰地展現裝備原理特性，更容易理解掌握理論知識，對于提高授課質量，達到培養目標具有重要意義。

參考文獻

[1]杜中華，趙建新，《火炮與自動武器原理》算例教學法實踐[J].科技視界，2019（2）：124-126.

[2]楊艷峰，鄭堅，狄長春等.基于ANSYS火炮身管傳熱仿真[J].火力指揮與控制，2013：38（8）：134-136.

[3]殷軍輝.基于彈炮耦合模型與虛擬樣機技術的彈丸起始擾動優化研究[D].石家莊：軍械工程學院，2011.

[4]韓國柱，杜中華，趙建新.火炮與自動武器原理[M].北京：兵器工業出版社，2017.

作者簡介

楊玉良（1987—），男，陸軍工程大學石家莊校區講師，研究方向為武器系統仿真與虛擬樣機技術。