輪胎對(duì)車載火炮射擊穩(wěn)定性影響研究

劉 川，薛德慶，賈長(zhǎng)治，杜中華（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

輪胎對(duì)車載火炮射擊穩(wěn)定性影響研究

劉 川，薛德慶，賈長(zhǎng)治，杜中華
（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

分析了某車載122 mm火炮的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過考慮輪胎與地面的接觸情況，利用ADAMS軟件建立了某122mm車載榴彈炮的虛擬樣機(jī)模型，用Fortran語言編寫了炮膛合力和反后坐裝置力程序，分別對(duì)火炮射擊時(shí)車輪與地面接觸和不接觸兩種情況進(jìn)行仿真?；谲囕d炮炮、車相結(jié)合的特點(diǎn)，選取后坐位移、炮口縱向加速度、車架質(zhì)心位移幅值、上架質(zhì)心位移幅值為測(cè)量量，對(duì)比并分析了兩種情況對(duì)火炮射擊穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明，車輪著地射擊時(shí)，炮口振動(dòng)較小，射擊結(jié)束后車體更快恢復(fù)穩(wěn)定。該研究可為相關(guān)車載武器提供一定參考。

車載火炮，射擊穩(wěn)定性，ADAMS

0 引言

車載火炮是一種以成本低廉的牽引式火炮與輪式卡車底盤有機(jī)結(jié)合，通過巧妙的設(shè)計(jì)而形成機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，沒有炮塔的輪式火炮［1］。這種方法改進(jìn)了傳統(tǒng)牽引式火炮機(jī)動(dòng)性能差的缺點(diǎn)，使得火炮在戰(zhàn)場(chǎng)上可以實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)入和撤離陣地，既能給予有效快速的打擊，又能在攻擊完成后迅速撤離，免遭敵火摧毀。另一方面，由于輪式車載火炮重量較輕，在戰(zhàn)爭(zhēng)中更易于對(duì)其實(shí)現(xiàn)空運(yùn)和吊運(yùn)［2］。再者，隨著世界范圍內(nèi)公路里程和公路質(zhì)量的提高，結(jié)合我國(guó)公路覆蓋廣的國(guó)情，在我國(guó)發(fā)展輪式車載火炮將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。作為對(duì)車載火炮性能有較大影響的射擊穩(wěn)定性問題在近年來已越來越被火炮設(shè)計(jì)者所關(guān)注。

傳統(tǒng)的火炮射擊穩(wěn)定性是指火炮不移動(dòng)、不跳動(dòng)的狀態(tài)，這種分析方法實(shí)際是對(duì)火炮的準(zhǔn)靜態(tài)的分析。眾所周知，火炮的射擊過程是一個(gè)承受高沖擊的動(dòng)力學(xué)過程，因此，若要對(duì)火炮射擊的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，必須采用動(dòng)力學(xué)的分析方法［4］。目前，人們對(duì)車載火炮的射擊過程進(jìn)行仿真時(shí)，在考慮輪胎與土壤的接觸問題上，多數(shù)情況下是認(rèn)為土壤與輪胎之間有接觸［5-6］。然而實(shí)際情況下，某車載122 mm火炮射擊時(shí)，通過兩液壓駐鋤和后座板將車體撐起，使車輪離開地面。但射擊過程中，由于駐鋤和座板與土壤的接觸，難免會(huì)使得車體下降，導(dǎo)致地面與輪胎相互作用。由此可見，輪胎是否與地面之間有相互作用確實(shí)是值得考慮的問題。

由于車載火炮的射擊穩(wěn)定性不但涉及火炮內(nèi)彈道參數(shù)和反后坐裝置參數(shù)，還涉及車體的緩沖參數(shù)，呈現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)變特征，用常規(guī)數(shù)值分析方法分析比較困難［3］。基于多體動(dòng)力學(xué)的仿真軟件ADAMS能夠很好地將火炮射擊時(shí)的各種動(dòng)態(tài)特性直觀的表現(xiàn)出來，對(duì)研究車載火炮的射擊穩(wěn)定性是一種很好的方法。本文基于ADAMS軟件，建立了某122 mm車載榴彈炮的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)火炮的射擊過程進(jìn)行仿真，分別考慮了車輪著地和不著地兩種情況，通過對(duì)比兩種情況下的炮口振動(dòng)和車體振動(dòng)，分析了兩種情況對(duì)射擊穩(wěn)定性的影響。本文對(duì)后續(xù)研究具有一定意義。

1 車載炮射擊過程分析及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 車載炮射擊過程分析

車載炮進(jìn)行射擊前，通過兩液壓駐鋤和后座盤將車體撐起，待輸入火炮的射角射向后完成調(diào)炮，進(jìn)而進(jìn)行射擊。

車載炮射擊時(shí)，后坐部分在炮膛內(nèi)部火藥氣體的作用下沿?fù)u架運(yùn)動(dòng)，反后坐裝置將作用在炮身上的峰值極大的炮膛合力轉(zhuǎn)換為作用在炮架上的峰值較小的作用力，作用力通過炮架傳給車體并最終傳向地面。炮身在炮膛合力的作用下產(chǎn)生一定振動(dòng)，搖架繞耳軸做俯仰運(yùn)動(dòng)，上架繞座盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；車體在炮架所傳遞的作用力下做俯仰和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)射擊過程在1 s左右完成。

1.2 車載炮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

火炮的拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示，其中車輪與車體之間用線性彈簧和扭簧連接，駐鋤與車體用固定副連接，上架與車體用圓柱副連接，上架與搖架之間采用固定副，身管與搖架之間采用平移副，方向機(jī)、平衡機(jī)、高低機(jī)固連在身管上，其間的作用力用扭簧力來模擬，炮尾和炮口制退器固連在身管上。

2 車載炮動(dòng)力學(xué)模型及虛擬樣機(jī)的建立

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

車載火炮射擊時(shí)，后坐部分在炮膛內(nèi)部所產(chǎn)生的高溫高壓氣體的作用下沿?fù)u架運(yùn)動(dòng)，具有一個(gè)移動(dòng)自由度；因?yàn)樯鋼魰r(shí)射角和射向是固定的，故高低機(jī)、平衡機(jī)和方向機(jī)可看成鎖死狀態(tài)，將高低機(jī)、平衡機(jī)、方向機(jī)及搖架看成一個(gè)剛體；上架、兩駐鋤和后座盤固定在車體上隨車體運(yùn)動(dòng)；駕駛室和彈箱固定在車體上隨車體運(yùn)動(dòng)；為模擬車體的俯仰及扭轉(zhuǎn)，在車體與6個(gè)輪胎之間添加線性彈簧力和扭簧力。

綜上所述，在對(duì)車載炮射擊穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，所建車載炮多體動(dòng)力學(xué)模型共有23個(gè)體，21個(gè)約束，25個(gè)自由度。

2.2 車載炮虛擬樣機(jī)

在ADAMS中，每一個(gè)真正意義上的剛體除了其幾何外形之外，還繼承了物理屬性［7］，為實(shí)現(xiàn)模型的準(zhǔn)確性，在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型時(shí)，給各部件賦予實(shí)際的質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并進(jìn)行約束和力的加載。由于炮膛合力和反后坐裝置力較為復(fù)雜，應(yīng)用外掛的Fortran程序編寫計(jì)算模塊并在ADAMS中調(diào)用。其中，后坐部分在火炮發(fā)射過程中所受的主動(dòng)力主要為作用在炮膛軸線上的炮膛合力Ppt、作用在后坐部分質(zhì)心的重力Q0。約束反力主要為駐退機(jī)力φ0（復(fù)進(jìn)時(shí)為駐退機(jī)提供液壓阻力φ0f和復(fù)進(jìn)節(jié)制器液壓阻力φff），復(fù)進(jìn)機(jī)力Pf等［8］。

對(duì)全炮而言，后坐時(shí)主動(dòng)力簡(jiǎn)化為后坐阻力R，復(fù)進(jìn)時(shí)主動(dòng)力為復(fù)進(jìn)機(jī)力r，其中

公式中各變量參數(shù)含義如下:φ為次要功計(jì)算系數(shù)；ω為發(fā)射藥重量；q為彈丸重量；S為炮膛斷面積；p為內(nèi)彈道平均壓力；Pg為彈丸脫離炮口瞬間的膛內(nèi)平均壓力；t為從后效期開始記起的后效時(shí)間；b為反映炮膛合力衰減快慢的時(shí)間常數(shù)；K1為主流液壓阻力系數(shù)；K2為支流液壓阻力系數(shù)；γ為駐退桿液體重度；A0為駐退桿活塞工作面積；Ap為節(jié)制環(huán)孔面積；ax為流液孔面積；Aft復(fù)進(jìn)節(jié)制器活塞工作面積；Ω1為支流最小截面積；V為后坐速度；A0f為復(fù)進(jìn)時(shí)駐退機(jī)活塞工作面積；af為復(fù)進(jìn)節(jié)制器流液孔面積；U為復(fù)進(jìn)速度；Af為復(fù)進(jìn)機(jī)活塞工作面積；Pf0為復(fù)進(jìn)機(jī)氣體初壓力；X為后坐行程；n為氣體的多變系數(shù)；W0為復(fù)進(jìn)機(jī)氣體初體積；F為反后坐裝置緊塞具摩擦力；T為搖架滑板上的總摩擦力；Ff為反后坐裝置復(fù)進(jìn)時(shí)緊塞具提供的摩擦力；Tf為搖架滑板摩擦力。

在ADAMS中對(duì)某車載122 mm火炮進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的主要?jiǎng)傮w包括:炮身、搖架、上架、車體（車頭、彈藥箱、車架）、輪胎、駐鋤、座板。在炮尾創(chuàng)建二維平面并與搖架建立接觸來防止炮身復(fù)進(jìn)到位后繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。將炮膛合力和反后坐裝置力的方向定義為與身管軸線重合，采用0°射向，30°射角。具體模型如圖2所示。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)受力分析圖如圖3所示。

圖3 受力分析圖

2.3 車輪簡(jiǎn)化模型

車載火炮射擊時(shí)，火炮后坐部分產(chǎn)生的后坐力通過車架傳給駐鋤和座板（考慮輪胎接地時(shí)通過車架傳給駐鋤、座板和輪胎），并最終將力傳給地面。由于土不同于金屬一般的固體材料，其性狀是非常復(fù)雜的，它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料，而是應(yīng)變硬化或軟化的彈塑性材料［9］。由此可知，駐鋤等部件與土壤的接觸非常復(fù)雜。在ADAMS中，用于實(shí)體接觸的接觸力能夠很好的描述這一接觸，故在ADAMS中將駐鋤等部件與土壤的接觸定義為帶摩擦的實(shí)體接觸。在不考慮輪胎接地的情況下，輪胎與地面之間不定義接觸。ADAMS中接觸力定義形式為:

其中K為接觸剛度；C為阻尼系數(shù)；δ為相對(duì)穿透量；n為因數(shù)，一般取1.0～2.0。

為模擬射擊過程中車體和車輪之間的板簧緩沖力，采用如圖4所示的簡(jiǎn)化方法，通過在車架上建立無質(zhì)量環(huán)，無質(zhì)量環(huán)與車架之間添加旋轉(zhuǎn)副來模擬車體的俯仰運(yùn)動(dòng)；在無質(zhì)量環(huán)與車架之間建立扭簧，以防止車體大幅度翻轉(zhuǎn)，同時(shí)在兩者之間創(chuàng)建移動(dòng)副，并添加線彈簧來模擬車體上下運(yùn)動(dòng)。

圖4 車輪簡(jiǎn)化模型

3 仿真分析

火炮發(fā)射過程中的振動(dòng)是一種復(fù)合振動(dòng)，尤其是像火炮身管和車體這種關(guān)鍵部位［10］。在射擊仿真中，對(duì)于與炮口振動(dòng)以及車體振動(dòng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)應(yīng)予以重點(diǎn)測(cè)量。本文選取后坐位移、炮口縱加速度、車架質(zhì)心位移幅值、上架質(zhì)心位移幅值為測(cè)量量，分別考慮輪胎著地與不著地兩種情況，得仿真曲線如下，其中，后坐位移如下頁(yè)圖5、圖6所示。

可以看出，在車輪著地和不著地兩種情況下，火炮身管后坐位移曲線基本上是相同的，即車輪著地與否對(duì)身管的后坐位移并無較大影響，兩曲線都能較好反映出身管后坐速度快而復(fù)進(jìn)速度慢的特點(diǎn)，整個(gè)過程持續(xù)1 s左右。

圖5 車輪著地后坐位移圖

圖6 車輪不著地后坐位移圖

炮口縱向加速度如圖7、圖8所示。

可以看出，火炮在車輪著地射擊時(shí)，由于車輪的緩沖作用，使得炮口振動(dòng)較之車輪不著地時(shí)更為穩(wěn)定，僅在初始后坐和復(fù)進(jìn)到位時(shí)產(chǎn)生加速度；車輪不著地時(shí)，火炮在兩駐鋤和后座盤的支撐下，在較短時(shí)間內(nèi)有一定振動(dòng)，但無論車輪是否著地，炮口縱向角加速度都被控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，證明該122 mm車載火炮的射擊穩(wěn)定性是能夠保證的。

車架質(zhì)心位移幅值如圖9、圖10所示。

可以看出，車架的質(zhì)心位移幅值均控制在10 mm以內(nèi)，可以說是很微小的振動(dòng)。車輪著地射擊時(shí)，在輪胎、兩駐鋤和座盤的共同作用下，車體在開始射擊產(chǎn)生振動(dòng)之后，在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了穩(wěn)定；車輪不著地射擊時(shí)，車體在兩駐鋤和座盤的共同作用下，在初始時(shí)刻產(chǎn)生振動(dòng)后，隨著時(shí)間的推移，車體進(jìn)行著振幅逐漸減小的振動(dòng)。

圖9 車輪著地車架質(zhì)心位移幅值

圖10 車輪不著地車架質(zhì)心位移幅值

上架質(zhì)心位移幅值如圖11、圖12所示。

圖11 車輪著地上架質(zhì)心位移幅值

圖12 車輪不著地上架質(zhì)心位移幅值

可以看出，上架位移幅值較小，同車架質(zhì)心位移幅值相似，車輪著地時(shí)，上架恢復(fù)穩(wěn)定較快，車輪不著地時(shí)，上架做減幅振動(dòng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)車輪著地射擊與不著地射擊時(shí)所得各曲線的分析:1）通過賦予各部件實(shí)際質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，仿真得到的各曲線跳動(dòng)量均在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該122 mm車載火炮具有較好的射擊穩(wěn)定性。

2）車輪的著地與否確實(shí)對(duì)火炮的射擊穩(wěn)定性有一定影響，與車輪不著地射擊相比，車輪著地射擊時(shí)，由于車輪的緩沖作用使得車體在產(chǎn)生振動(dòng)后更容易恢復(fù)穩(wěn)定。

3）對(duì)車載炮進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際工況，明確射擊過程中車輪是否著地。

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Study on Effect of Tire to Firing Stability of Truck-mounted Gun

LIU Chuan，XUE De-qing，JIA Chang-zhi，DU Zhong-hua
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Analyzing the topology structure of certain truck-mounted 122 mm gun，by considered the contact of tire and ground，using the ADAMS software，certain truck-mounted 122mm gun virtual prototype model is built，using Fortran program，the script of force of gun bore and force of recoil mechanism are write，two cases that whether the tire has contact or not has contact with ground when firing are simulated.Based on the feature that the combination of gun and truck of truck-mounted gun，recoil displacement，muzzle longitudinal acceleration，the amplitude of displacement of the frame centre，the amplitude of displacement of the shelve centre are chosen as the measurements，the effect on the firing stability of these two cases are compared and analyzed.The simulation results surface that when firing by the tire touchdown，muzzle vibration is small and the frame restores stability faster after firing.Study can give a reference to the research associated with wheeled artillery.

truck-mounted gun，firing stability，ADAMS

TJ819

A

1002-0640（2017）03-0071-04

2016-01-21

2016-02-26

劉 川（1992- ），男，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)仿真與信息化研究。