弧形三腳架減振效果及射擊精度改善研究

華洪良， 廖振強(qiáng)， 宋　杰， 邱　明， 肖俊波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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弧形三腳架減振效果及射擊精度改善研究

華洪良， 廖振強(qiáng)， 宋杰， 邱明， 肖俊波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：為研究一種新型弧形三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)槍振動(dòng)抑制以及射擊精度改善情況，基于ADAMS以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了準(zhǔn)確的機(jī)槍系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。在其余條件一致的情況下，對(duì)比了不同槍架在射擊過(guò)程中的膛口動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)外彈道理論，以及彈頭出膛口擾動(dòng)，對(duì)射擊100 m距離彈頭散布進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：膛口的振動(dòng)主要體現(xiàn)在高低方向上(y軸)，在該方向上膛口位移、速度、射角峰值平均值分別降低了27.8%、25.8%、31.1%左右?；⌒稳_架對(duì)應(yīng)的彈頭散布圓半徑R100，R50分別改善了33.6%、23.2%。弧形三腳架結(jié)構(gòu)可有效改善機(jī)槍系統(tǒng)射擊精度。

關(guān)鍵詞：減振；剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)；三腳架結(jié)構(gòu)；射擊精度；機(jī)槍系統(tǒng)

槍架是機(jī)槍的重要組成部分，是考核機(jī)槍性能的一個(gè)重要因素。在支撐重機(jī)槍射擊過(guò)程中，槍架的彈性變形過(guò)大是影響機(jī)槍振動(dòng)以及射擊精度的主要原因之一。因此，提高槍架結(jié)構(gòu)彎曲剛度減少機(jī)槍系統(tǒng)振動(dòng)，是提高武器射擊精度的主要途徑之一[1]。文獻(xiàn)[2]以某型重機(jī)槍三腳架為研究對(duì)象，基于網(wǎng)格變形技術(shù)并結(jié)合Kriging響應(yīng)面模型以及多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)三腳架架腿進(jìn)行了多目標(biāo)形狀優(yōu)化，得到了軸向剛度、橫向剛度均較高的三角架結(jié)構(gòu)，如圖2。相比初始三腳架結(jié)構(gòu)(圖1)，其特點(diǎn)主要是兩個(gè)后架腿由原來(lái)的直桿變?yōu)閮苫⌒螚U，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

圖1　機(jī)槍系統(tǒng)初始三腳架結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial tripod structure of machine gun system

為驗(yàn)證該弧形三腳架結(jié)構(gòu)在機(jī)槍發(fā)射過(guò)程中對(duì)膛口振動(dòng)抑制效果以及機(jī)槍射擊精度改善情況，建立機(jī)槍系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，獲得機(jī)槍射擊過(guò)程膛口動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，便可借助外彈道理論預(yù)測(cè)其射彈散布[3-4]。

圖2　機(jī)槍系統(tǒng)弧形三腳架結(jié)構(gòu)Fig.2 Arc tripod structure of machine gun system

1機(jī)槍動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

由于機(jī)槍發(fā)射為一強(qiáng)沖擊過(guò)程，受到的載荷激勵(lì)幅值較大，會(huì)使得槍管、槍架等細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的彈性變形?；贏DAMS軟件，將整槍系統(tǒng)作為剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)進(jìn)行研究，可獲得較好的計(jì)算精度[4-6]。

1.1模型簡(jiǎn)化與假設(shè)

(1) 剛?cè)狁詈嫌?jì)算前首先對(duì)機(jī)槍模型簡(jiǎn)化處理，將無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)體，剛度大變形小的部件作為剛體，以減小計(jì)算量。發(fā)射過(guò)程中，剛度小、彈性變形大的零部件作為彈性體考慮。本文將槍管、槍架結(jié)構(gòu)作為彈性體進(jìn)行建模，具體方法參考文獻(xiàn)[7]。

(2) 抽殼、撥彈機(jī)構(gòu)不進(jìn)行仿真。抽殼阻力、撥彈阻力等按照文獻(xiàn)[8]的方式，以外力的形式進(jìn)行等效加載，直至將槍機(jī)框速度調(diào)整到與試驗(yàn)曲線(xiàn)[1]吻合，見(jiàn)圖3。

圖3　機(jī)框速度Fig.3 Blot frame velocity

(3) 發(fā)射過(guò)程中，槍架與地面接觸部分的土壤變形采用三組兩兩正交的彈簧阻尼器模型進(jìn)行等效，彈簧剛度、阻尼系數(shù)按照文獻(xiàn)[9]經(jīng)驗(yàn)公式有：

(1)

式中:Kh、Kv分別為水平、垂直地面方向等效彈簧剛度；Ch、Cv分別為水平、垂直方向等效阻尼系數(shù)；G、ρ分別為土壤彈性模量、密度；r0為駐鋤與土壤接觸部分在軸向、橫向、垂直方向當(dāng)量接觸半徑；

土壤彈性模量、密度按照文獻(xiàn)[1]進(jìn)行選取。本文選取的土質(zhì)為“草地”，土壤密度為1.72 g/cm2，彈性模量為40 kgf/cm2。軸向、橫向、垂直方向r0值分別為34.5 mm，50.5 mm，68.3 mm。則相應(yīng)參數(shù)計(jì)算如表1。

表1　彈簧與阻尼器參數(shù)

1.2載荷確定

機(jī)槍射擊過(guò)程中載荷主要包括：槍膛壓力、導(dǎo)氣室壓力、彈簧力、碰撞力。其中槍膛壓力、與導(dǎo)氣室壓力分別參考文獻(xiàn)[10-11]中數(shù)學(xué)模型，編程求解如圖4：P為槍膛壓力，Pq為導(dǎo)氣室壓力。機(jī)槍系統(tǒng)中各彈簧參數(shù)：復(fù)進(jìn)簧剛度為0.6 N/mm，預(yù)壓力為65 N；槍管簧剛度為68.5 N/mm，預(yù)壓力為70 N；制轉(zhuǎn)卡筍簧剛度為2 N/mm，預(yù)壓力為24 N；肩托緩沖器簧剛度為11 N/mm，預(yù)壓力為188 N；機(jī)頭緩沖器簧剛度為5.17 N/mm，預(yù)壓力為159 N；機(jī)框緩沖器簧剛度為540 N/mm。

圖4　槍膛壓力與導(dǎo)氣室壓力Fig.4 Bore pressure and gas chamber pressure

1.3動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比機(jī)框后坐開(kāi)始速度、后坐到位速度、機(jī)框復(fù)進(jìn)開(kāi)始速度、復(fù)進(jìn)到位速度便可驗(yàn)證模型的正確性[1]。機(jī)框后坐開(kāi)始速度實(shí)驗(yàn)值為9.12 m/s，計(jì)算值為9.4 m/s，相對(duì)誤差為3.07%；機(jī)框后坐到位速度實(shí)驗(yàn)值為4.09 m/s，計(jì)算值為3.9 m/s，相對(duì)誤差為4.6%；機(jī)框復(fù)進(jìn)開(kāi)始速度實(shí)驗(yàn)值為3.93 m/s，計(jì)算值為3.75 m/s，相對(duì)誤差為4.6%；機(jī)框復(fù)進(jìn)到位速度實(shí)驗(yàn)值為5.2 m/s，計(jì)算值為5.24 m/s，相對(duì)誤差為0.7%。計(jì)算得出的機(jī)框速度曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)[1]對(duì)比如圖3，在3.6 s處機(jī)框速度實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)變?yōu)?，而計(jì)算曲線(xiàn)仍在反向增加，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)機(jī)框速度采用3連發(fā)，本文為了后續(xù)比較兩種槍架對(duì)應(yīng)的射擊精度計(jì)算20發(fā)，二者其余部分基本吻合，該模型滿(mǎn)足分析要求。

1.4動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果及分析

圖5(Dx)、圖6(Dy)分別為機(jī)槍膛口位置沿x,y軸振動(dòng)幅值；圖7(Vx)、圖8(Vy)分別為膛口位置沿x,y軸振動(dòng)速度；圖9(Tx)、圖10(Ty)分別為膛口位置繞x,y軸振動(dòng)傾角?？梢钥闯鰞?yōu)化得出的弧形三腳架結(jié)構(gòu)在射擊過(guò)程中膛口高低方向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Dy、Vy、Tx的峰值平均值分別降低了27.8%、25.8%、31.1%左右，對(duì)膛口振動(dòng)有一定的抑制作用。雖然橫向響應(yīng)Dx、Vx、Ty有所放大，但是相對(duì)于高低方向響應(yīng)十分微小，其影響可不與考慮，后續(xù)外彈道計(jì)算可說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖5 膛口x方向位移Fig.5Muzzledisplacementinx-direction圖6 膛口y方向位移Fig.6Muzzledisplacementiny-direction圖7 膛口x方向速度Fig.7Muzzlevelocityinx-direction

圖8 膛口y方向速度Fig.8Muzzlevelocityiny-direction圖9 膛口繞x軸傾角Fig.9Muzzlerotationanglearoundxaxis圖10 膛口繞y軸傾角Fig.10Muzzlerotationanglearoundyaxis

2射擊精度計(jì)算

根據(jù)彈頭出膛口瞬間膛口擾動(dòng)便可根據(jù)外彈道理論算得機(jī)槍射彈散布。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，外彈道模型為：

(2)

式中:x,y,S分別為彈頭在x,y,z軸方向位移分量；v1、v2、u分別為彈頭在x,y,z軸方向速度分量；g為重力加速度；C為彈道系數(shù)；H(y)為空氣密度函數(shù)；G(v)為彈頭與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性。

外彈道初始條件為：

(3)

式中:v0為彈頭出膛口速度，由內(nèi)彈道計(jì)算得825 m/s；Dx0、Dy0分別為彈頭出膛口瞬時(shí)x,y方向位移擾動(dòng)量；Vx0、Vy0分別為彈頭出膛口瞬時(shí)x,y方向速度擾動(dòng)量；Tx0、Ty0分別為彈頭出膛口瞬時(shí)繞x,y軸角度擾動(dòng)量。Dx0、Dy0、Vx0、Vy0、Tx0、Ty0根據(jù)計(jì)算得出的彈頭出膛口時(shí)間分別從圖5～10提取得到，限于文章篇幅取十組值列于表2。

圖11(左)為外彈道計(jì)算得出的初始三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)散布圓，圖11(右)為弧形三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)散布圓。其中，大圓半徑為R100，小圓半徑為R50?？梢钥闯觯瑱C(jī)槍射擊精度差主要是因?yàn)閺楊^在高低方向散布過(guò)大，雖然彈頭在水平方向散布略有放大，但相對(duì)高低方向散布而言較小，弧形三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的散布精度整體上有所改善。初始三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的R100=0.246 m，R50=0.078 m，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值[1]分別為0.256 m、0.08 m，則相對(duì)誤差分別為4.1%、3.1%，可見(jiàn)外彈道計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說(shuō)明外彈道計(jì)算可靠的同時(shí)，也表明剛?cè)狁詈蠑?shù)據(jù)(外彈道邊界條件)可信?；⌒稳_架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的R100=0.163 m，R50=0.060 m，相比初始三腳架結(jié)構(gòu)R100、R50分別改善了33.6%、23.2%。

圖11　彈頭散布比較Fig.11 Comparison of bullets dispersion

彈序Dx0×10-3/mm初始優(yōu)化Dy0×10-3/mm初始優(yōu)化Vx0×10-2/(m·s-1)初始優(yōu)化Vy0×10-1/(m·s-1)初始優(yōu)化Tx0×10-2/(°)初始優(yōu)化Ty0×10-1/(°)初始優(yōu)化10.09-0.091.140.820.750.540.410.210.070.011.110.8620.200.200.730.371.842.842.341.071.950.660.190.0130.290.326.071.662.464.826.160.812.382.503.211.1540.410.430.180.028.201.517.440.752.141.900.810.5550.520.534.582.673.811.935.394.881.901.062.420.8660.630.640.310.190.951.225.803.032.593.730.370.6270.750.753.852.518.423.176.402.470.912.832.160.9780.970.983.001.600.991.906.791.341.440.191.800.47?????????????192.102.112.311.924.902.105.603.000.810.441.741.42202.212.221.400.942.601.695.971.220.641.320.790.28

3結(jié)論

(1) 在其余條件一致的情況下，將槍架作為彈性體考慮，對(duì)比了不同槍架在射擊過(guò)程中的膛口響應(yīng)。結(jié)果表明：膛口的振動(dòng)主要體現(xiàn)在高低方向上(y軸)，在該方向上膛口位移、速度、傾角峰值平均值分別減少了27.8%、25.8%、31.1%左右。弧形三腳架對(duì)膛口振動(dòng)有一定的抑制作用。

(2) 相比初始三腳架，弧形三腳架結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)槍射擊精度有一定改善。外彈道計(jì)算表明：弧形三腳架對(duì)應(yīng)的散布圓半徑R100，R50分別改善33.6%、23.2%。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ] 王瑞林. 大口徑機(jī)槍動(dòng)力學(xué)特性與射擊精度研究[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2003.

[ 2 ] 華洪良, 廖振強(qiáng), 邱明,等. 基于網(wǎng)格變形技術(shù)的機(jī)槍三腳架多目標(biāo)響應(yīng)面優(yōu)化[J]. 振動(dòng)與沖擊,2015,34(16):141-146.

HUA Hong-liang, LIAO Zhen-qiang, QIU Ming, et al.Multi-objective optimization combining response surface model of machine gun tripod based on mesh morphing technology[J]. Journal of Vibration and Shock,2015,34(16):141-146.

[ 3 ] 楊軍榮, 楊國(guó)來(lái), 陳運(yùn)生,等. 某車(chē)載自動(dòng)迫擊炮的炮口動(dòng)態(tài)仿真[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005,29(6):648-652.

YANG Jun-rong, YANG Guo-lai, CHEN Yun-sheng, et al. Dynamic simulation of muzzle motion for a vehicle mounted automatic mortar[J]. Journal of Nanjing University of science and trchnology, 2005, 29(6):648-652.

[ 4 ] 李佳圣, 廖振強(qiáng), 李洪強(qiáng),等. 三腳架支承轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊密集度仿真[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2013, 37(2):209-214.

LI Jia-sheng, LIAO Zhen-qiang, LI Hong-qiang, et al. Simulation of fire density of gatling gun shooting on light tripod[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2013, 37(2):209-214.

[ 5 ] 徐誠(chéng), 王亞平. 火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2006.

[ 6 ] 陳明, 馬吉?jiǎng)? 王瑞林,等. 基于虛擬樣機(jī)的機(jī)槍結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射擊穩(wěn)定性影響規(guī)律研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2008,29(10):1167-1171.

CHEN Ming, MA Ji-sheng, WANG Rui-lin, et al.Research on influence of structure parameters on firing stability of machine gun based on the virtual prototype[J].Acta Armamentarii, 2008, 29(10):1167-1171.

[ 7 ] 李增剛. ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

[ 8 ] 陳錦喜, 王瑞林, 吳海鋒,等. 新型機(jī)槍槍架及其動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2012, 31(8):121-123.

CHEN Jin-xi, WANG Rui-lin, WU Hai-feng, et al. Dynamic characteristics analysis for a new type gun tripod[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(8):121-123.

[ 9 ] 陳明, 馬吉?jiǎng)? 賈長(zhǎng)治,等. 基于虛擬樣機(jī)的某型機(jī)槍射擊動(dòng)態(tài)性能研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(8):192-195.

CHEN Ming, MA Ji-sheng, JIA Chang-zhi, et al. Firing dynamic characteristics of a dual-purpose machine gun based on virtual prototype[J]. Computer Simulation,2006,23(8):192-195.

[10] 張小兵. 槍炮內(nèi)彈道學(xué)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2014.

[11] 廖振強(qiáng), 王濤, 余世海. 武器氣體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2005:221-228.

[12] 王中原, 周衛(wèi)平. 外彈道設(shè)計(jì)理論與方法[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2004.

Vibration reduction performance of an arc tripod structure for firing accuracy improvement

HUAHong-liang,LIAOZhen-qiang,SONGJie,QIUMing,XIAOJun-bo

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to study vibration reduction performance of a new type of arc tripod structure for firing accuracy improvement, an accurate rigid-flexible coupled multi-body model of a machine gun system was established based on ADAMS software and related experimental data. The muzzle dynamic responses of the machine gun system with different tripod structures were compared under the same conditions. Based on the exterior ballistic theory and its boundary conditions, the bullet head dispersions were obtained with a firing distance of 100 meters. The results showed that the muzzle vibrations mainly occur in the vertical direction (y axis); in this direction, the peak averages of displacement, velocity and firing angle decrease by about 27.8%, 25.8% and 31.1%, respectively with the new arc tripod structure; the radii of circles with 100% and 50% bullet head scatters by 33.6% and 23.2%, respectively; so the new arc tripod structure can effectively improve the firing accuracy of the machine gun system.

Key words:vibration reduction; rigid-flexible coupled dynamics; tripod structure; firing accuracy; machine gun system

中圖分類(lèi)號(hào):TH212；TH213.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.010

通信作者廖振強(qiáng) 男，教授，博士生導(dǎo)師，1950年10月生

收稿日期：2014-11-12修改稿收到日期：2015-03-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51375241;51376090)

第一作者 華洪良 男，博士生，1990年10月生