基于能量耦合理論的轉(zhuǎn)管炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真

吳寶雙,陳永奎,魏立新,陳延偉,樊永鋒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

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基于能量耦合理論的轉(zhuǎn)管炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真

吳寶雙,陳永奎,魏立新,陳延偉,樊永鋒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

以某轉(zhuǎn)管炮為研究對(duì)象，基于多能量范疇耦合理論，依據(jù)內(nèi)源式FORC差動(dòng)補(bǔ)償原理，構(gòu)建內(nèi)源式FORC裝置；建立了內(nèi)外能源耦合控制系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖，對(duì)轉(zhuǎn)管炮進(jìn)行了發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真。在內(nèi)能源與耦合能源兩種射擊狀態(tài)下，得到全炮的后坐速度及后坐阻力數(shù)據(jù)。對(duì)比并分析仿真結(jié)果，得出在耦合能源作用下，轉(zhuǎn)管炮的射速更趨于穩(wěn)定。此仿真結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)管武器的內(nèi)外能源耦合研究具有一定的參考價(jià)值。

兵器科學(xué)與技術(shù)；鍵合圖；轉(zhuǎn)管炮；耦合理論；發(fā)射動(dòng)力學(xué)

速射火炮是一個(gè)包含機(jī)、電、液、氣與控制等多能量范疇的復(fù)雜系統(tǒng)，為模擬速射火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性，為此選用了鍵合圖理論和鍵合空間理論進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。鍵合圖理論是上世紀(jì)50年代由麻省理工大學(xué)的Paryter教授提出，它的基本思想是：把不同能量范疇的物理量統(tǒng)一歸納為4種狀態(tài)變量，即勢(shì)、流、位變和動(dòng)量，同時(shí)采用表征基本物理性能和描述系統(tǒng)中功率流向與轉(zhuǎn)換基本聯(lián)接方式的11種元件，按照規(guī)定的步驟制定系統(tǒng)的鍵合圖模型和狀態(tài)方程。

1 發(fā)射動(dòng)力學(xué)建模及狀態(tài)方程

發(fā)射動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣機(jī)方案主要包括身管組件、炮箱組件、導(dǎo)氣裝置及傳動(dòng)組件、星形體及閂體組件、緩沖器等組成。筆者在分析其動(dòng)作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用鍵合空間理論建立了發(fā)射動(dòng)力學(xué)全炮鍵合空間模型[1]，如圖1所示。

圖1中的符號(hào)含義與鍵合圖理論中關(guān)于符號(hào)的定義一致，即：I代表慣性元件；C代表容性元件；R代表阻性元件；E代表勢(shì)源；TFH代表轉(zhuǎn)換器和摩阻元件集成的兩通口元件；1表示共流結(jié)；0表示共勢(shì)結(jié)；并且為了更方便地將電機(jī)表示出來(lái)，這里采用有源阻性元件S來(lái)表示啟動(dòng)電機(jī)特性元件，啟動(dòng)特性函數(shù)用S表示。在鍵合空間模型中，下標(biāo)A代表全炮緩沖運(yùn)動(dòng)的鍵合空間；下標(biāo)B代表基礎(chǔ)構(gòu)件相對(duì)于全炮緩沖的運(yùn)動(dòng)的鍵合空間，在發(fā)射動(dòng)力學(xué)中，即為導(dǎo)氣室活塞相對(duì)于炮箱的運(yùn)動(dòng)，指向該結(jié)點(diǎn)的E元件中包含了火藥氣體對(duì)導(dǎo)氣室活塞的壓力；下標(biāo)0表示基礎(chǔ)構(gòu)件即導(dǎo)氣室活塞的運(yùn)動(dòng)的鍵合空間；下標(biāo)U表示從動(dòng)構(gòu)件相對(duì)于全炮緩沖運(yùn)動(dòng)由基礎(chǔ)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)確定，即運(yùn)動(dòng)剛性傳遞關(guān)系元件的鍵合空間；下標(biāo)V表示從動(dòng)構(gòu)件相對(duì)于全炮緩沖運(yùn)動(dòng)與基礎(chǔ)構(gòu)件間通過(guò)柔性元件(即彈性元件)聯(lián)接，即運(yùn)動(dòng)彈性傳遞元件的鍵合空間。

通常自動(dòng)機(jī)從動(dòng)構(gòu)件和基礎(chǔ)構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系以運(yùn)動(dòng)剛性傳遞為主，而運(yùn)動(dòng)彈性傳遞多用于運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程的貯能、過(guò)載保護(hù)等場(chǎng)合，在構(gòu)件剛度不夠，彈性變形較大時(shí)，也應(yīng)按運(yùn)動(dòng)彈性傳遞考慮。將自動(dòng)機(jī)從動(dòng)構(gòu)件與基礎(chǔ)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系分為運(yùn)動(dòng)剛性傳遞和運(yùn)動(dòng)彈性傳遞，能夠更好地表述自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。

2 內(nèi)源式FORC差動(dòng)補(bǔ)償原理

2.1 理想控制模型

內(nèi)源式FORC裝置理想控制鍵合圖模型如圖2所示。

鍵標(biāo)號(hào)的含義為:0代表轉(zhuǎn)管炮后坐部分；2代表轉(zhuǎn)管炮后坐阻力；3代表炮膛合力；5代表差控制閥受的彈簧初力；6代表差控閥簧的柔度；7代表貯能器氣室柔度函數(shù)；8代表貯能器初壓；9代表差控閥及復(fù)進(jìn)節(jié)流閥流液阻尼。圖中的零功率鍵代表一個(gè)差控閥對(duì)貯液腔和e4壓差所形成的一個(gè)負(fù)反饋，它是以R9差控閥位移q6的函數(shù)來(lái)體現(xiàn)，因此差控閥對(duì)壓差有一定的自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。由內(nèi)源FORC裝置理想控制鍵合圖模型可得到其狀態(tài)方程[2]

(1)

得到后坐阻力的表達(dá)式為

(2)

貯能器氣體的變化仍然設(shè)定為絕熱變化，則

(3)

對(duì)于液壓阻尼函數(shù)可近似表示為

(4)

式中,ξ、α、β分別為常系數(shù)。

則

(5)

2.2 差動(dòng)補(bǔ)償原理

設(shè)后坐時(shí)期后坐阻力近似為恒值[3]，其值大小為后坐終了時(shí)的值，即

(6)

這樣可以將式(5)轉(zhuǎn)化為

(7)

令

(8)

通常對(duì)于內(nèi)源式FORC裝置來(lái)講，一般δ7=20%以內(nèi)[2]，這時(shí)壓力的變化也近似為一條斜線，因此把貯能器的柔度函數(shù)線性化，有

(9)

所以由式(7)可得差控補(bǔ)償方程

(10)

且后坐到位時(shí)間為

(11)

3 內(nèi)源式FORC裝置

內(nèi)源式FORC結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積和質(zhì)量較小，不需要外部能源，適應(yīng)性好，容易實(shí)用化。但是若沒有其他的輔助設(shè)備，用內(nèi)源式FORC難以實(shí)現(xiàn)全浮動(dòng)。高速自動(dòng)炮FORC緩沖裝置采用的是內(nèi)源式FORC原理，內(nèi)源式FORC裝置是一套閥控系統(tǒng)。它主要由貯能器、液壓筒、復(fù)進(jìn)節(jié)流閥、殼體、主活塞、氣液活塞、差控閥等部分組成。這種緩沖裝置適用于小口徑自動(dòng)炮，具有很好的通用性，可根據(jù)自動(dòng)炮后坐部分的沖量的大小，選擇緩沖器的個(gè)數(shù)。內(nèi)源式FORC結(jié)構(gòu)裝配圖如圖3所示。

4 內(nèi)外能源耦合轉(zhuǎn)管炮射控系統(tǒng)分析

內(nèi)外能源耦合轉(zhuǎn)管炮系統(tǒng)，由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)、供輸彈機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成。

根據(jù)內(nèi)外能源耦合轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合陸基防空反導(dǎo)的要求，確定系統(tǒng)的控制時(shí)序[4]，如圖4所示。

5 動(dòng)力學(xué)仿真

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行轉(zhuǎn)管炮耦合能源發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真需要大量參數(shù)數(shù)據(jù)，包括內(nèi)能源式導(dǎo)氣數(shù)據(jù)、外能源式電機(jī)數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)管炮相關(guān)機(jī)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)[5-6]，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)數(shù)據(jù)

5.2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

5.2.1 內(nèi)能源射擊

內(nèi)能源射擊時(shí)，以冷氣啟動(dòng)方式啟射，啟射射速為4 200發(fā)/min，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

由圖5～7可以看出，內(nèi)能源射擊時(shí)，射速為4 698 發(fā)/min,最大后坐速度為0.37 m/s；后坐阻力最大值為31 kN，100連發(fā)所用總時(shí)間為1 277 ms。

5.2.2 耦合能源射擊

耦合能源射擊時(shí)，電機(jī)拖動(dòng)啟動(dòng)，啟射射速為5 300 r/min，電機(jī)最大啟動(dòng)力矩為81 N·m，電機(jī)折點(diǎn)轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，電機(jī)截止轉(zhuǎn)速為7 200 r/min，仿真結(jié)果如圖8～10所示。

由圖8～10可以看出，耦合能源射擊時(shí)，射速為5 363發(fā)/min，最大后坐速度為0.42 m/s；后坐阻力最大值為31.35 kN，100連發(fā)所用總時(shí)間為1 118.75 ms。內(nèi)能源射擊與耦合能源射擊結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 內(nèi)能源與耦合能源射擊對(duì)比

6 結(jié)論

筆者基于多能量范疇耦合理論，對(duì)小口徑轉(zhuǎn)管炮進(jìn)行了發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真，綜合對(duì)比內(nèi)能源與耦合能源兩種射擊狀態(tài)下，星行體的轉(zhuǎn)速、全炮最大后坐速度及最大后坐阻力的變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：在有電機(jī)情況下的耦合能源射擊時(shí)，可提高轉(zhuǎn)管炮的射速，同時(shí)后坐最大速度也會(huì)增大，但最大后坐阻力值增幅相對(duì)較小，此仿真結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)管武器的內(nèi)外能源耦合研究具有一定的參考價(jià)值。

References)

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Based on the Theory of Energy Coupling Gatling Gun Launching Dynamics Simulation

WU Baoshuang, CHEN Yongkui, WEI Lixin, CHEN Yanwei, FAN Yongfeng

(The 713th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015,Henan, China)

With the Gatling gun taken for study, based on the multi-energy category coupling theory, endogenous type apparatus FORC was constructed according to the principle of endogenous type apparatus FORC differential compensation with inner and outer energy control system logical diagram established, and with Gatling gun simulated for emission dynamics. Under the two shooting states of inner energy and coupling energy, the whole gun’s recoil velocity and recoil force data was obtained. Through a comparison and analysis of the simulation results, it is concluded that under the effect of coupling energy, Gatling gun firing rate tends to be more stable. The simulation results have certain reference value for the coupling on the inner and outer energy gatling weapons.

ordnance science and technology; bond graph; Gatling gun; coupling theory; launch dynamics

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.002

2016-03-16

國(guó)防基礎(chǔ)科研(A0820132003)

吳寶雙(1987—)，男，碩士，主要從事小口徑艦炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析技術(shù)研究。E-mail：wbshuang_713@163.com

TJ306

A

1673-6524(2016)04-0005-05