基于虛擬樣機技術(shù)的艦炮發(fā)射動力學(xué)仿真＊

李 川 王建偉

（1.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局 重慶 400042）（2.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局 武漢 430064）

1 引言

射擊精度是評定艦炮射擊效果好壞的重要指標(biāo)，炮口振動是影響艦炮射擊精度的一個重要因素。研究艦炮結(jié)構(gòu)的振動對射擊精度的影響，可以從結(jié)構(gòu)層面上為艦炮的射擊提供良好的外彈道初始條件，從而提高射擊精度。

艦炮作為一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動自由度多的機械系統(tǒng)，傳統(tǒng)的動力學(xué)分析方法已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足對其進行振動分析的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法已經(jīng)成為研究艦炮振動的重要方法，并開發(fā)了一系列的通用的應(yīng)用軟件。王德石等[1～3]采用多體系統(tǒng)模型對艦炮的射擊振動過程進行了動力學(xué)建模。楊軍榮[4]等應(yīng)用ADAMS和Matlab兩大軟件平臺，建立了某雙管火炮的虛擬樣機聯(lián)合仿真模型。

本文綜合運動多個軟件平臺的優(yōu)勢，建立了艦炮虛擬樣機聯(lián)合仿真模型，考慮了身管的柔性，并進行了發(fā)射動力學(xué)聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果與剛性建模結(jié)果相比具有更高的精度，更貼近艦炮發(fā)射的真實情況。仿真結(jié)果對艦炮射擊精度的提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化都具有一定的參考價值。

2 艦炮總體模型

為了能夠獲得較精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)物理參量，應(yīng)用Pro／E軟件建立了艦炮的總體三維實體模型。權(quán)衡計算的經(jīng)濟性和計算結(jié)果的精確性，將艦炮簡化為六大部分：后坐部分、搖架部分、高低齒弧部分、高低機部分、炮架部分以及回轉(zhuǎn)支撐部分，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]如圖1所示。其中，H1為旋轉(zhuǎn)副，H2為耦合副，H3為移動副，H4和H6為固定副，H5為接觸副。后坐部分在炮膛合力Fpt、駐退機力Fzt和復(fù)進機力Ff等力的作用下，在搖架上做后坐復(fù)進運動；搖架通過耳軸支撐在炮架上，后部的大齒弧與高低機的主齒輪嚙合；炮架坐落在回轉(zhuǎn)支撐上，在方向機的作用下實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動；回轉(zhuǎn)支撐與軍艦固連。

3 聯(lián)合仿真模型的建立

為實現(xiàn)聯(lián)合仿真，利用Pro／E建立的總體三維模型，導(dǎo)入ADAMS平臺[6]建立艦炮的虛擬樣機仿真模型；利用Matlab／Simulink[7]建立內(nèi)彈道計算模型，炮膛合力、駐退機力和復(fù)進機力的計算模塊；最后利用ADAMS／Control模塊和Matlab／Simulink／adams＿sys模塊建立聯(lián)合仿真模型，從而實現(xiàn)兩大軟件之間的信息封閉循環(huán)，如圖2所示。

3.1 基于ADAMS的虛擬樣機模型

將建好的艦炮三維模型導(dǎo)入ADAMS中，定義各部件之間的約束關(guān)系，可得艦炮多剛體仿真模型。

考慮到艦炮身管在發(fā)射時存在較嚴(yán)重的彈性變形和振動，對炮口的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，故在動力學(xué)仿真時必須考慮身管的柔性。

利用有限元軟件建立身管的柔體模型，進行模態(tài)計算，生成mnf文件，導(dǎo)入ADAMS中，可得艦炮的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀Ｉ砉苡邢拊Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 身管有限元模型

3.2 基于 Matlab／Simulink的計算模型

3.2.1 內(nèi)彈道計算模塊

炮膛合力計算數(shù)學(xué)公式如下：

式中，φp為次要功系數(shù)；ω為發(fā)射藥質(zhì)量；q為彈丸質(zhì)量；S為炮膛截面面積；p為火藥氣體平均壓力；tg和tk分別為彈丸出炮口時間和后效期結(jié)束時間。

利用Matlab／Simulink軟件，根據(jù)該炮的內(nèi)彈道方程及其相關(guān)參數(shù)，建立內(nèi)彈道計算模塊如圖4所示。

3.2.2 炮膛合力、駐退機力及復(fù)進機力計算模塊

該炮采用典型的帶復(fù)進節(jié)制器的溝槽式駐退機和氣壓式復(fù)進機。

復(fù)進機力計算公式如下

式中，F(xiàn)f0為初始壓力，n為多變指數(shù)，Ls為復(fù)進機初始容積的有效長度。

圖4 內(nèi)彈道計算模塊

駐退機力計算公式如下：

式中，A0為駐退機后坐時活塞有效工作面積；Ap為節(jié)制環(huán)內(nèi)孔面積；Afj為復(fù)進節(jié)制腔工作面積；A1為后坐時駐退機支流通道的最小面積；aX為駐退機主流液孔面積；K1，K2，K1f，K2f為液壓阻力系數(shù)；ρ為駐退液密度。

依據(jù)這類反后坐裝置的駐退機力和復(fù)進機力的計算公式，分別建立作用于炮身的駐退機力和復(fù)進機力計算模塊如圖5所示。

圖5 炮膛合力、駐退機力及復(fù)進機力計算模塊

ADAMS模型輸出仿真中炮身的后坐位移X和后坐速度V，經(jīng)過Simulink模塊的相關(guān)處理，得到炮膛合力、駐退機力和復(fù)進機力，并反饋給ADAMS模型。

3.3 聯(lián)合仿真模型

圖6 艦炮聯(lián)合仿真模型

在Matlab／Simulink軟件中打開adams＿sys窗口，并將計算模塊輸入其中，如圖6所示。完成相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，即可仿真計算。

4 動力學(xué)仿真及結(jié)果分析

圖7 艦炮后坐部分后坐位移曲線

圖8 艦炮炮口振動曲線

利用上面所建的聯(lián)合仿真模型，并將該炮的內(nèi)彈道參數(shù)和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)編制成Matlab的m文件，利用AD－AMS與Matlab／Simulink軟件平臺，進行了艦炮發(fā)射動力學(xué)聯(lián)合仿真。動力學(xué)仿真之前，首先進行靜平衡分析，并作為動態(tài)分析的初始狀態(tài)。聯(lián)合仿真的部分結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7說明了艦炮后坐部分的運動過程，與試驗數(shù)據(jù)比較，最大后坐位移及時間誤差不超過5%，可以認(rèn)為仿真結(jié)果比較真實、可信。

5 結(jié)語

現(xiàn)在，市場上存在大量的各類應(yīng)用軟件，并在某一方面具有強大的功能。本文充分利用各個軟件的自身優(yōu)勢，基于多個軟件平臺，建立了艦炮剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)虛擬樣機模型，得到了相關(guān)部件的運動特性和炮口響應(yīng)，為艦炮的射擊精度預(yù)測及系統(tǒng)優(yōu)化提供了方法。

[1]王德石.基于多剛體動力學(xué)的艦炮系統(tǒng)振動分析[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，1998，（4）：1－6.

[2]王德石，史躍東.火炮振動分析與多體系統(tǒng)模型研究[J].動力學(xué)與控制學(xué)報，2012，10（4）：303－324.

[3]史躍東，王德石.艦炮剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析[J].彈道學(xué)報，2010，22（1）：37－44.

[4]楊軍榮，何永，米糧川.基于虛擬樣機的雙管炮動力學(xué)仿真[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2006，30（4）：339－343.

[5]洪嘉振.計算多體系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999：201－210.

[6]范成建，熊光明，周明飛.虛擬樣機軟件 MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：214－240.

[7]劉會燈，朱飛.Matlab編程基礎(chǔ)與典型應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008：405－416.