某閉合彈帶動力學仿真與試驗分析

王相生，蘇執(zhí)陽

（海軍裝備部，北京 100841）

某閉合彈帶動力學仿真與試驗分析

王相生，蘇執(zhí)陽

（海軍裝備部，北京 100841）

閉合彈帶在自動機的射擊過程中做間歇運動，自動機的啟停對彈帶產生較大的沖擊作用。針對自動機射擊中閉合彈帶的運動特點，建立基于復雜鉸連接的彈帶阻力計算模型，進行彈帶阻力仿真計算；采用多體動力學仿真軟件RecurDyn，建立彈帶剛柔耦合仿真模型，將彈帶阻力與托彈力作為仿真模型的輸入激勵導入RecurDyn中；通過MATLAB和RecurDyn仿真，獲得彈帶動力特性數(shù)據(jù)；并與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了仿真結果的有效性。仿真結果與試驗數(shù)據(jù)可為閉合彈帶的優(yōu)化設計提供依據(jù)，對研究全炮動力學特性具有重要意義。

閉合彈帶；剛柔耦合；動力學仿真

小口徑火炮無鏈供彈方式可分為彈鼓式和閉合彈帶式兩種。國內對彈鼓式無鏈供彈技術的研究與應用較多，而對閉合彈帶式無鏈供彈的研究還未突破［1］。閉合彈帶式無鏈供彈系統(tǒng)是通過彈托組成的閉合彈帶將彈丸線性串聯(lián)起來，閉合彈帶的一端疊放在有驅動裝置的彈箱中，另一端和自動機結合，從而完成供彈系統(tǒng)與自動機的匹配及其自動供彈。由于閉合彈帶設計的靈活性，在方式上可以組成單路、雙路供彈，在應用上可以做成艦載、車載、機載火炮的無鏈供彈系統(tǒng)，因此較彈鼓式無鏈供彈應用靈活。筆者對某閉合彈帶的運動位移、速度等動力學關鍵特性進行了仿真分析和試驗研究。

1 動力學模型建立

1.1 模型中的基本假設

1）炮彈為剛體，內力的作用線與炮彈和彈托質心的連線相重合。

2）彈帶水平放置在輸彈導引內，彈帶只能沿水平方向運動。

3）彈托變形和連接間隙統(tǒng)一簡化成線性彈簧力。

4）有結構阻尼及撞擊引起的能量損失。

1.2 彈帶運動特點

自動機射擊時，彈帶的運動較為復雜，具有以下特點：

1）射擊時，自動機必須完成后坐和復進兩個過程，兩發(fā)炮彈連續(xù)射擊之間存在一定的時間間隔，所以撥彈輪的運動是間歇的。

2）彈帶各彈托間存在間隙，當彈托之間的間隙消失后才傳遞拉力和運動，在傳遞拉力和運動過程中，彈帶運動過程中會產生撞擊。

3）彈帶傳遞給炮彈的作用力通常與炮彈質心的連線不重合，因此，當彈帶運動時，各發(fā)炮彈可能會繞其質心偏轉，使各炮彈之間、炮彈與導引壁之間產生撞擊，消耗能量。

4）撥彈機構一次拉動彈帶完畢停止運動時，彈帶仍繼續(xù)慣性運動，炮彈之間產生撞擊，消耗部分能量。

1.3 彈帶動力學模型

如圖1所示，閉合彈帶由多個彈托組成，閉合彈帶在撥彈輪的作用下沿著輸彈導引運轉。單次射擊，自動機帶動撥彈輪轉動一定角度，在撥彈輪啟動時，閉合彈帶承受自動機施加的巨大驅動力，閉合彈帶開始啟動，各彈托之間相互拉伸；撥彈到位后，撥彈輪停止，各彈托之間又受到慣性力作用而造成擠壓。

閉合彈帶在運轉過程中，受到的影響因素較多，為接近實際彈帶的受力情況，建立基于復雜鉸連接的多剛體模型如圖2所示。由于加工裝配造成彈托之間有連接間隙，在建立彈帶動力學模型中，為便于分析，將各個彈托之間假定為無間隙連接，彈托變形和連接間隙統(tǒng)一簡化成線性彈簧力，該彈簧力從彈托運動開始就參與作用［2-3］。

設彈帶系統(tǒng)由n＋1個炮彈和彈托組成。彈托質量附加在炮彈上，依次用m0，m1，…，mn表示。撥彈輪的質量為m0，其速度為v，彈托的彈性用彈簧剛度k1，k2，…，kn表示，以便考慮彈托的彈性。結構阻尼和撞擊的能量損失用阻尼器代表，其等效阻尼系數(shù)用c1，c2，…，cn來表示。取彈托間隙為一半時炮彈質心的位置為坐標零點，用廣義坐標q0，q1，…，qn表示質量m0，m1，…，mn的水平位移。m0的運動是已知的。取第i個炮彈為隔離體，分析水平受力情況，如圖3所示。

對于質量mi可寫出水平運動微分方程：

式中：mi為炮彈和彈托的等效質量；f為彈帶與導引間的滑動摩擦系數(shù)。

上述方程可適用于除m0外的各個質量mi，可把上述方程組寫成矩陣形式：或簡寫成

式中：M為質量矩陣，為對角陣，在該模型中各剛體質量相同，對角元素mi＝m；¨q為廣義加速度陣列；S為關聯(lián)矩陣；X為內力陣列，由鉸中彈性力ki（qi-1-qi）和阻尼力ci（.qi-1-.qi）組成的陣列，在模型中ki＝k，ci＝c。

2 RecurDyn仿真模型建立

運用多體動力學仿真軟件RecurDyn，建立閉和彈帶裝置剛柔耦合動力學模型，它采用相對坐標系統(tǒng)運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規(guī)模及復雜接觸的多體動力學問題［4］。

2.1 模型總體結構及約束

為了分析方便，取閉合彈帶裝置的一段進行分析，其三維模型如圖4所示。模型由彈托、炮彈和輸彈導引三部分構成。將此三維模型導入Recur-Dyn多體動力學仿真軟件，然后將彈托進行有限元劃分，在仿真分析中作為柔性體處理，從而建立閉合彈帶剛柔耦合動力學仿真模型。根據(jù)閉合彈帶裝置的結構特點，設置彈托與輸彈導引、炮彈的剛柔面接觸，彈托間的旋轉約束和彈托沿輸彈導引的平移約束。

2.2 仿真輸入

仿真輸入由自動機拖動彈帶的動力學特性和彈帶阻力特性兩部分組成。其中自動機拖動5發(fā)炮彈時的彈帶所承受的主動力由自動機運動微分方程及氣室壓力方程計算獲得，如圖5所示；根據(jù)建立的彈帶動力學模型，采用仿真計算軟件MATLAB，計算自動機射擊時5發(fā)炮彈的彈帶阻力如圖6所示。

把圖5和圖6所示曲線在RecurDyn中施加到彈帶剛柔耦合模型上作為載荷輸入進行仿真分析。

3 仿真結果與試驗對比

3.1 仿真結果

通過MATLAB和RecurDyn仿真，計算獲得了5發(fā)炮彈質心的位移q、速度.q動力特性，如圖7和圖8所示。

從圖7位移-時間曲線和圖8速度-時間曲線可以看出，射擊時，彈帶在達到最大位移42.5 mm后，會出現(xiàn)“后退”現(xiàn)象，這是由于彈托間存在彈性變形，彈托進行過柔性化處理。彈帶加速啟動時，第1發(fā)炮彈處所受的沖擊最大，射擊結束后，由于阻尼器的作用，彈帶在震蕩中趨于穩(wěn)定，但閉合彈帶啟動瞬間的最大速度均控制在2m／s內。

3.2 試驗分析與對比

為驗證筆者所建立的數(shù)學模型和彈帶剛柔耦合動力學模型的正確性，在某試驗靶場進行了某閉合彈帶裝置的實彈射擊試驗，試驗照片如圖9所示。試驗獲得了該閉合彈帶裝置的動態(tài)響應數(shù)據(jù)，如圖10所示。試驗曲線與仿真曲線的對比如圖11所示。

由圖10可以看出，自動機驅動閉合彈帶啟動瞬間的最大速度控制在2m／s內，并且在開始時刻速度增量波動較小，這表明自動機啟動瞬間平穩(wěn)，對閉合彈帶的沖擊較小。

將圖8中的仿真速度曲線與圖10試驗速度曲線進行對比，仿真結果與試驗實測數(shù)據(jù)基本吻合，如圖11所示，可以看出建立的數(shù)學模型和剛柔耦合動力學模型都能夠有效地模擬閉合彈帶的動力學響應。在圖11中，仿真曲線的速度先于實測速度曲線下降，這是因為在仿真過程中，進行了一些基本假設，對摩擦阻力的計算進行了簡化處理，與實際試驗中的惡劣工作環(huán)境有所差別，因此，仿真曲線與試驗測試結果有一定差異。

4 結束語

通過對某閉合彈帶裝置的動力學特性分析，建立了基于復雜鉸連接的彈帶多剛體數(shù)學模型。運用多體動力學仿真軟件RecurDyn，建立了某閉合彈帶裝置的剛柔耦合模型。采用MATLAB和RecurDyn仿真，對模型的動力學響應過程進行了仿真分析，深入研究了彈帶啟停瞬間的受力和運動特性，并與試驗測試數(shù)據(jù)進行了對比分析，為研究閉合彈帶式無鏈供彈系統(tǒng)的動力學特性打下了基礎。

（References）

［1］楊海川，張建峰.一種新式的閉合彈帶機構［J］.兵工自動化，2011，（9）：16-17.YANG Hai-chuan，ZHANG Jian-feng.A new closedshell belt mechanism［J］.Ordnance Industry Automation，2011，（9）：16-17.（in Chinese）

［2］李國豐.彈帶阻力的一種簡化計算方法［J］.教練機，2011，（2）：3-5.LI Guo-feng.A simplified calculation method for ammunition belt resistance［J］.Trainer，2011，（2）：3-5.（in Chinese）

［3］韓魁英，王夢林，朱素君.火炮自動機設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.HAN Kui-ying，WANG Meng-lin，ZHU Su-jun.Design of automatic gun［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1988.（in Chinese）

［4］鄭建興，張相炎.基于RecurDyn的同步帶彈箱動態(tài)特性仿真研究［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2010，（4）：75-78.ZHENG Jian-xing，ZHANG Xiang-yan.Dynamic characteristic research of timing belt ammunition box based on RecurDyn［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2010，（4）：75-78.（in Chinese）

Dynamic Simulation and Test Analysis of One Closed Shell Belt Mechanism

WANG Xiang-sheng，SU Zhi-yang
（Naval Equipment Department，Beijing 100841，China）

Intermittent motion of the closed shell belt was produced in artillery firing.Start-stop of automatic gun has brought great impact on the closed shell belt.The calculating model of belt drag was established by analyzing the movement characteristics of closed shell belt in artillery firing.The belt dray was calculated.Rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was established in the Recurdyn software of multiple-rigid-body system.The data of the belt dray enter the rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was and the dynamic characteristics of closed shell belt were obtained through co-simulation of Recurdyn and Matlab.The simulation results were effective by compared with experimental date.the results provided scientific basis for the closed shell belt optimize design and importance purport for study on the dynamic characteristics of automatic gun.

closed shell belt；rigid-flexible coupling；dynamics simulation

TJ762

A

1673-6524（2014）01-0075-04

2013-09-10；

2013-11-10

王相生（1974-），男，碩士研究生，主要從事艦炮總體技術研究。E-mail：609984737＠qq.com