考慮柔性非線性的武器站炮口振動影響規律研究

馮帥 鄭博文 張天意

摘 要：為研究柔性非線性作用下緩沖器參數對頂置武器站炮口振動的影響規律，建立了含關重件柔性體的頂置武器站剛柔耦合發射動力學模型。基于模態中性文件將武器站關重件處理為柔性體，并通過模態分析對比試驗數據及仿真數據，驗證了有限元模型的準確性。在此基礎上，分別研究了緩沖器剛度、阻尼對頂置武器站炮口振動的單因素影響規律。仿真結果表明，炮口振動受緩沖器剛度的影響小，而受阻尼的影響較大。

關鍵詞：兵器科學與技術;頂置武器站;炮口振動;模態分析;有限元模型

0 引言

頂置武器站是可配備多種武器和不同組合的火力控制系統，可搭載于不同軍用車輛及平臺的模塊化武器系統[1]。文獻[2]指出，射擊載荷引起的炮口振動是影響武器站射擊精度的重要因素。為研究炮口振動特性，研究人員往往采用動力學仿真的手段，其中，建立高精度動力學模型是重中之重的關鍵環節。為此，研究人員在建立動力學仿真模型時，會根據實際中的非線性因素建立相應的數學模型。朱玉川等[3]在建立多管火箭炮位置伺服系統時考慮了不平衡力矩的影響。張金龍等[4]考慮了接觸間隙的非線性效應，在火炮起落部分動力學模型中納入接觸間隙的數學模型;謝潤等[5]考慮了射擊載荷引起部件變形的柔性非線性，建立某型自行火炮動力學模型時將身管處理為柔性體。由此可見，影響炮口振動的非線性因素主要包括接觸非線性、柔性非線性以及不平衡力矩非線性等。

在建立動力學模型后，研究人員從彈丸運動參數、行駛工況以及緩沖器參數等[6-8]不同角度對炮口振動的影響規律展開研究。然而，上述文獻只是就單因素對炮口振動的影響規律進行研究，并沒有考慮到因素間存在耦合效應，初始條件的變化也有可能導致單因素影響規律的變化。

因此，本文著重考慮柔性非線性，以緩沖器參數為自變量研究其對炮口振動的影響規律。基于模態中性文件生成關重件的有限元模型，構建了頂置武器站剛柔耦合動力學模型，并通過模態試驗驗證了有限元模型的準確性。在此基礎上，以頂置武器站炮口振動為目標函數，以緩沖器剛度系數、阻尼系數為自變量進行單因素及多因素的影響規律研究，研究結果可為下一步抑制炮口振動、提高射擊精度提供理論參考。

1 武器站剛柔耦合動力學模型

根據武器站發射過程中各部件的受力特點，將身管、支撐架、托架、耳軸等主要受力且對炮口振動影響較大的部件處理為柔性體，并基于多體動力學仿真軟件ADAMS導入模態中性文件的方法[10]建立相關部件的柔性體，其流程如圖1所示。

相關部件的網格模型如圖2～圖5所示。最終建立起頂置武器站剛柔耦合發射動力學模型，如圖6所示。

2 緩沖器參數對炮口振動影響規律研究

緩沖器力學性能主要由剛度系數及阻尼系數決定。因此，在上述構建的頂置武器站剛柔耦合發射動力學模型的基礎上，分別以緩沖器剛度及阻尼為自變量，研究其對炮口振動的影響規律。

2.1 緩沖器剛度對炮口振動影響規律

分別取剛度系數K1=500N/mm、K2=1000N/mm、K3=2000N/mm，保持阻尼系數不變，對不同剛度下頂置武器站進行5連發動力學仿真，仿真結果如圖7、8所示。限于篇幅，炮口振動參量隨時間變化曲線僅列出高低向線速度。

由上述仿真結果可得出以下結論：

（1）對于振動頻率，炮口振動參量在不同剛度下的振動曲線幾乎重合，且相同次序的最大振幅出現時間相同（如高低向線速度的第1發載荷引起最大振幅時間在3種剛度下均為0.0228秒），表明剛度變化對炮口振動頻率不影響;

（2）對于振動幅值，炮口振動參量最大振幅平均值在不同剛度下的變化幅度均小于1%，，表明剛度的變化對炮口振動幅值影響甚微。

以上表明，緩沖器剛度對炮口振動的影響較小。此外，在仿真中發現，剛度變化對于不同振動參量呈現不一樣的影響規律，其中角位移參量隨剛度增加而減小，線速度參量則隨剛度增加而增大。

2.2 緩沖器阻尼對炮口振動影響規律

分別取阻尼系數C1=20Ns/mm、C2=40Ns/mm、C3=60Ns/mm，保持剛度系數不變，對不同阻尼下頂置武器站進行5連發動力學仿真，仿真結果如圖9、10所示。

由上述仿真結果可得出以下結論：

（1）對于振動頻率，以高低向線速度為例，其第1發載荷最大振幅時間在3種阻尼下分別為0.0023s、0.00228s、0.00226s，峰值時間隨著阻尼的增大而減小，表明炮口振動頻率隨著阻尼的增加而增加;

（2）對于振動幅值，從總體趨勢上看，阻尼變化對不同炮口振動參量的影響規律相同，即阻尼越大，振動參量最大幅值越小;從局部細節上看，阻尼的變化對不同振動參量的影響程度不同，其中，當阻尼系數從C1變化到C3時，高低向線速度、水平向線速度、高低向角位移、水平向角位移的變化幅度分別為14.617%、12.141%、10.336%、6.95%，變化幅度最大為高低向線速度，最小為水平向角位移，表明阻尼變化對線速度參量的影響要大于角位移參量。

以上表明，緩沖器阻尼對炮口振動的影響較大。

3 結論

本文以頂置武器站炮口振動為研究對象，考慮了柔性非線性的影響，將關重件處理為柔性體后構建了頂置武器站剛柔耦合動力學模型，通過模態分析驗證了模型的精確性，并就緩沖器參數對炮口振動的影響規律進行研究，主要有以下結論：

（1）基于模態理論描述的柔性體，不僅能符合實際部件的動力學特性，而且能根據精度要求截取相應階數的模態，大大提高動力學模型的仿真效率，有效實現了仿真精度與效率的并舉;

（2）緩沖器剛度的變化對炮口振動的影響較小;相比之下，阻尼的變化對炮口振動的影響較大，會引起振動頻率及幅值的變化，但不影響其宏觀上的振動趨勢。

參考文獻：

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[4]張金龍，郭保金，楊克柱等.基于高低機接觸間隙的炮口振動仿真分析[J].中北大學學報（自然科學版），2014（02）：117-121.

[5]謝潤，楊國來，徐龍輝.自行火炮行進間剛柔耦合多體系統動力學分析[J].南京理工大學學報，2014（05）：588-592.

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