火炮模擬試驗(yàn)裝置波形發(fā)生器參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

喬 梁 ，魯 飛 ，趙慶嵐

（1.北京軍代局駐二四七廠軍代室，太原 030009；2.北京軍代局駐二○七所軍代室，太原 030006）

火炮模擬試驗(yàn)裝置波形發(fā)生器參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

喬 梁1，魯 飛1，趙慶嵐2

（1.北京軍代局駐二四七廠軍代室，太原 030009；2.北京軍代局駐二○七所軍代室，太原 030006）

通過(guò)高速大質(zhì)量塊沖擊炮口來(lái)推動(dòng)火炮后坐是一種技術(shù)可行的火炮后坐模擬試驗(yàn)方法。為保證該模擬試驗(yàn)方法精度，基于ABAQUS軟件建立了火炮模擬試驗(yàn)裝置及力學(xué)模型；基于橡膠試樣的拉伸、壓縮試驗(yàn)得到橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立了波形發(fā)生器的超彈性模型；選取波形發(fā)生器左右兩個(gè)橡膠塊的直徑、硬度及厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)為試驗(yàn)因素，根據(jù)火炮動(dòng)態(tài)特性的平均及最大誤差建立了目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲取了一組最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為火炮模擬試驗(yàn)裝置的工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

火炮，模擬試驗(yàn)裝置，波形發(fā)生器，均勻設(shè)計(jì)法，橡膠超彈性模型

引 言

實(shí)彈射擊試驗(yàn)是檢驗(yàn)火炮裝備可靠性、可用性、維修性及耐久性的重要技術(shù)手段，但是由于研制及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、試驗(yàn)周期、試驗(yàn)條件的限制，多數(shù)火炮裝備在研制、生產(chǎn)及定型階段難以實(shí)施全面、系統(tǒng)、深入的實(shí)彈試驗(yàn)考核，致使火炮在列裝部隊(duì)之后，“四性”問(wèn)題層出不窮，嚴(yán)重制約了火炮裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。鑒于以上原因，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始尋求可靠、等效的火炮模擬試驗(yàn)方法。

通過(guò)高速大質(zhì)量塊沖擊炮口來(lái)推動(dòng)火炮后坐被證明是一種技術(shù)可行的模擬射擊試驗(yàn)方法［1-2］。其中，置于沖擊質(zhì)量塊與炮口之間的橡膠波形發(fā)生器起著緩沖以及產(chǎn)生沖擊波形的重要作用，是火炮模擬試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。為了保證模擬試驗(yàn)方法具有較高的模擬精度，文中建立了火炮試驗(yàn)裝置有限元模型及描述波形發(fā)生器的超彈性模型，通過(guò)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)波形發(fā)生器的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 火炮試驗(yàn)裝置模型建立

1.1 試驗(yàn)裝置模型的建立

基于Pro/E軟件環(huán)境，建立了火炮三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ABAQUS軟件中建立了有限元模型。有限元模型主要包括炮尾、身管、沖擊質(zhì)量塊、橡膠波形發(fā)生器等，如圖1所示。

圖1 火炮試驗(yàn)裝置有限元模型

波形發(fā)生器分為左右兩部分，左側(cè)橡膠塊1兩側(cè)均硫化在金屬板上，右側(cè)橡膠塊2單側(cè)硫化在金屬板上，使得金屬與橡膠碰撞所生產(chǎn)的噪聲更小。通過(guò)調(diào)整密度，使左側(cè)橡膠塊、炮尾和身管的質(zhì)量近似等于炮身質(zhì)量。

1.2 力學(xué)模型

火炮在動(dòng)態(tài)后坐過(guò)程中，主要受到復(fù)進(jìn)機(jī)力、制退機(jī)力、常數(shù)摩擦力及初始的沖擊力。

（1）復(fù)進(jìn)機(jī)力Ffj

該火炮采用氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)，復(fù)進(jìn)筒與搖架相連，復(fù)進(jìn)桿與炮尾相連，復(fù)進(jìn)機(jī)力Ffj可表示為：

x1為火炮后坐位移。

（2）制退機(jī)力φ0

該火炮采用帶溝槽式復(fù)進(jìn)節(jié)制器的節(jié)制桿式制退機(jī)，制退機(jī)力φ0可表示為：

dx為節(jié)制桿直徑。

（3）常數(shù)摩擦力Rφ

f為炮身與搖架之間的摩擦系數(shù)，M為炮身質(zhì)量，φ為射角，F(xiàn)0為反后坐裝置緊塞元件產(chǎn)生的摩擦力，由兩部分組成。

F01為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)緊塞元件產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)02為制退機(jī)內(nèi)緊塞元件產(chǎn)生的摩擦力。

復(fù)進(jìn)機(jī)力為后坐位移的函數(shù)，在ABAQUS中采用非線性彈簧來(lái)模擬復(fù)進(jìn)機(jī)力；制退機(jī)力為后坐位移和后坐速度的函數(shù)，采用分段的非線性阻尼來(lái)模擬制退機(jī)力；常數(shù)摩擦力在火炮射角一定時(shí)為定值，采用集中力模擬即可。

2 橡膠波形發(fā)生器超彈性模型

2.1 橡膠材料本構(gòu)模型

常用的橡膠力學(xué)性能描述方法主要分為兩類，一類是基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，另一類是基于橡膠為連續(xù)介質(zhì)的唯象學(xué)描述方法。

熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)為觀察到橡膠中的彈性恢復(fù)力為主要來(lái)自于熵的減少。橡膠在承受載荷時(shí)分子結(jié)構(gòu)無(wú)序，熵的減少是由于橡膠伸長(zhǎng)使得橡膠結(jié)構(gòu)由高度無(wú)序變得有序。由對(duì)橡膠中分子鏈的長(zhǎng)度、方向以及結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)得到本構(gòu)關(guān)系。

唯象學(xué)描述方法假設(shè)在未變形狀態(tài)下橡膠為各向同性材料，即長(zhǎng)分子鏈方向在橡膠中是隨機(jī)分布的。這種各向同性的假設(shè)是用單位體積的應(yīng)變能函數(shù)來(lái)描述橡膠特性的基礎(chǔ)，其本構(gòu)模型為多項(xiàng)式模型和Ogden模型。

多項(xiàng)式形式的應(yīng)變勢(shì)能［4］是常用的形式之一，表達(dá)示為：

其中：U 是應(yīng)變勢(shì)能，J1是彈性體積比，I1，I2是在材料中的扭曲變量，N為多項(xiàng)式階數(shù)，Cij描述了材料的剪切特性，參數(shù)Di引入了可壓縮性。

Ogden應(yīng)變能以3個(gè)主伸長(zhǎng)率為變量，應(yīng)變能密度形式如下：

2.2 材料參數(shù)的試驗(yàn)獲取

橡膠的超彈性模型參數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)獲取，橡膠試驗(yàn)一般包括單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、雙軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、平板試驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)體試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

拉伸試樣及壓縮試樣根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［5-6］制備，拉伸試樣如圖2所示，壓縮試件為直徑25mm，高度25mm的圓柱體。

圖2 拉伸試樣的形狀

利用微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種試樣分別進(jìn)行拉伸、壓縮試驗(yàn)，得到兩種試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 各硬度橡膠拉伸試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 各硬度壓縮試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

將拉伸、壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)代入到ABAQUS軟件中，有限元軟件運(yùn)用最小二乘法，基于各本構(gòu)模型對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到誤差最小的本構(gòu)模型參數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，選取Ogden（N=1）本構(gòu)模型，該模型擬合較好，且在所有應(yīng)變范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，以HA70為例，Ogden（N=1）模型擬合與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，如圖5所示。

圖5 Ogden模型擬合與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 均勻設(shè)計(jì)法

均勻設(shè)計(jì)法遵從和具有試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的共性及本質(zhì)內(nèi)容，能從全面試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出部分代表性的試驗(yàn)點(diǎn)，并在試驗(yàn)范圍內(nèi)充分均衡分散，仍能反映體系的主要特征。由于均勻試驗(yàn)充分利用了試驗(yàn)點(diǎn)分布的均勻性，所獲得的適宜條件雖然不一定是全面試驗(yàn)中的最優(yōu)條件，但也在某種程度上接近最優(yōu)條件。

3.1 均勻設(shè)計(jì)表

均勻設(shè)計(jì)表是均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，每一個(gè)均勻設(shè)計(jì)表有一個(gè)代號(hào)Un（qs），其中U表示均勻設(shè)計(jì)，n表示行數(shù)，即試驗(yàn)次數(shù)；q表示每個(gè)因素的試驗(yàn)水平數(shù)；s表示列數(shù)，即該均勻設(shè)計(jì)最多能夠安排的因素?cái)?shù)。

3.2 試驗(yàn)因素及水平

沖擊塊質(zhì)量為3 650 kg，速度為16m/s。5個(gè)試驗(yàn)因素為橡膠塊直徑、橡膠塊1硬度及厚度、橡膠2硬度及厚度。橡膠塊直徑為540mm~720mm，橡膠塊硬度為HA50-70，厚度為45mm~90mm。各個(gè)試驗(yàn)因素取5或10個(gè)水平，采用U10*（108）的均勻設(shè)計(jì)表，各個(gè)試驗(yàn)因素的設(shè)計(jì)及水平如表1。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

火炮模擬射擊試驗(yàn)的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)與實(shí)彈射擊時(shí)的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符合。GJB2173-94［8］規(guī)定：火炮模擬試驗(yàn)與實(shí)彈射擊時(shí)的最大后坐行程λmax、最大后坐速度vmax以及最大后坐速度對(duì)應(yīng)的行程λvm和時(shí)間tvm的相對(duì)誤差均應(yīng)小于5%。取4項(xiàng)誤差的平均值E1及最大值E2為試驗(yàn)指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)方案及誤差

式中，右下標(biāo)-s表示模擬試驗(yàn)結(jié)果，-l表示實(shí)彈射擊結(jié)果。

3.4 結(jié)果分析

由表1數(shù)據(jù)可以看出，5號(hào)試驗(yàn)的誤差最小，平均誤差只有0.035 6，最大誤差也僅有0.049，其結(jié)果符合國(guó)標(biāo)5%的誤差要求，波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)可以直接采用該方案。5號(hào)試驗(yàn)仿真得到的后坐速度、位移與實(shí)彈射擊試驗(yàn)的后坐速度、位移的對(duì)比如圖6、圖7所示。

圖6 仿真與實(shí)彈射擊試驗(yàn)后坐速度對(duì)比

圖7 仿真與實(shí)彈射擊試驗(yàn)的后坐位移對(duì)比

4 結(jié)論

橡膠波形發(fā)生器起著緩沖以及產(chǎn)生沖擊波形的重要作用，是火炮模擬試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。為保證該試驗(yàn)方法模擬精度，文中建立了火炮試驗(yàn)裝置模型及復(fù)進(jìn)機(jī)、制退機(jī)等力學(xué)模型；同時(shí)根據(jù)拉伸、壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系建立波形發(fā)生器的超彈性模型；基于均勻設(shè)計(jì)法對(duì)橡膠塊的硬度及尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，獲取了一組相對(duì)較優(yōu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)彈射擊具有較好的一致性?？蔀榛鹋诤笞M試驗(yàn)裝置及波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)及研制提供了理論依據(jù)。

［1］張福三.火炮定型試驗(yàn)中的理論與實(shí)踐［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［2］劉 林，狄長(zhǎng)春，喬 梁，等.火炮模擬射擊參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010（3）:99-102.

［3］張培林，李國(guó)章，傅建平.自行火炮火力系統(tǒng)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2002.

［4］莊 茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［5］GB/T528-1998.硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定［S］.北京：總裝備部，1998.

［6］詹特.AN.橡膠工程-如何設(shè)計(jì)橡膠配件［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［7］任露泉.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［8］GJB 2173-94.火炮動(dòng)態(tài)后坐模擬試驗(yàn)方法［S］.北京：總裝備部，1994.

Experiment Design ofWaveGenerator Parametersof Gun Simulation Test Device

QIAO Liang1，LU Fei1，ZHAOQing-lan2
（1.Beijing Military Delegation Office located at Fact.247，Taiyuan 030009，China；2.Martial Delegate Office of PLA in Institute，Taiyuan 030006，China）

It is a technical feasible gun backseat simulation experimentmethod by high-speed big mass impacting gunmuzzle to push gun recoil.In order to ensure the accuracy of simulation experiment method，gun simulation test device and mechanical model are built based on ABAQUS software.superelasticitymodel ofwave generator is established based on relationship between rubber’s stress and strain obtaining by experiment of rubber’s tension and compression.Selecting structure parameters such as diameter，hardness and thickness etc of wave generator’s two rubber block as experiment factor，objection function is built according to average and maximum error of gun dynamic characteristic.The most optimal structure parameters are obtained by even-design experiment，which provide basis for engineering design of gun simulation test device.

gun，simulation test device，wave generator，even-designmethod，rubber superelasticity model

TJ306.1

A

1002-0640（2013）01-0166-04

2011-09-20

2011-12-07

喬 梁（1971－ ），男，遼寧人，碩士，主要研究方向：火炮與自動(dòng)武器。