虛擬樣機(jī)技術(shù)在火炮裝備原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

楊玉良 吳大林 李鵬

摘 要：針對(duì)火炮裝備原理課程概念性強(qiáng)，理論性強(qiáng)，難點(diǎn)多的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立火炮裝備仿真模型，直觀清晰地展現(xiàn)裝備原理特性，使學(xué)員更容易理解掌握理論知識(shí)，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：火炮裝備 原理課程 虛擬樣機(jī)技術(shù)

一、火炮裝備原理課程特點(diǎn)

火炮裝備原理課程主要講授火炮系統(tǒng)炮身、反后坐裝置、自動(dòng)機(jī)等主要部組件結(jié)構(gòu)組成及工作原理。課程涉及彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、分析力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，概念性強(qiáng)，理論性強(qiáng)，難點(diǎn)很多。突出的特點(diǎn)是符號(hào)多、公式多、方程復(fù)雜，對(duì)學(xué)員數(shù)學(xué)和力學(xué)方面的知識(shí)儲(chǔ)備要求很高^[1]。以往教學(xué)過(guò)程中，通常是推導(dǎo)方程和公式，然后進(jìn)行一些結(jié)合實(shí)際的定性分析。這種教學(xué)方式，一方面方程公式比較復(fù)雜，推導(dǎo)計(jì)算較為困難，另一方面不便于定量、直觀分析裝備結(jié)構(gòu)及性能情況。

二、 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype Technology）是當(dāng)前機(jī)電液設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的一門(mén)新技術(shù)，涉及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算方法與軟件工程多學(xué)科專業(yè)，能夠基于計(jì)算機(jī)軟件建立產(chǎn)品系統(tǒng)三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)性能分析和評(píng)估，從而為物理樣機(jī)設(shè)計(jì)與制造提供科學(xué)合理的依據(jù)。

虛擬樣機(jī)分析軟件不僅可以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，還包含以下技術(shù)：

（1）幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的幾何實(shí)體建模。

（2）有限元分析（FEA）技術(shù)。采用有限元法，分析機(jī)械系統(tǒng)各單元節(jié)點(diǎn)在一定載荷、邊界條件下的應(yīng)力強(qiáng)度情況。

（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。運(yùn)用控制理論，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析。

（4）優(yōu)化分析技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化分析，確定機(jī)械系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得最優(yōu)的綜合性能。

三、 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用案例

1. 基于有限元的身管溫升仿真分析

火炮射擊時(shí)，膛內(nèi)火藥燃燒，最大膛壓可高達(dá)700Mpa，最高溫度可達(dá)到3000℃?；鹋谶B續(xù)射擊時(shí)，熱量不斷由火藥燃?xì)鈧鬟f到內(nèi)壁，且在身管壁內(nèi)積累，致使身管內(nèi)壁溫度快速上升。當(dāng)內(nèi)壁溫度達(dá)到一定值后，身管內(nèi)膛的燒蝕磨損率陡然升高，加快身管內(nèi)膛的燒蝕磨損進(jìn)程，會(huì)使得火炮的彈道性能不斷下降，最終導(dǎo)致身管壽命的提前終結(jié)^[2]。

針對(duì)身管在射擊過(guò)程中的溫升情況，可結(jié)合有限元軟件ANSYS，建立身管的有限元仿真模型，如圖1所示，開(kāi)展仿真講解。

根據(jù)火炮射速不同，分為3種射擊模式進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可看出，急速射情況下，身管內(nèi)外壁均最高;混合射擊模式次之，持續(xù)射擊模式溫度最低。因此為防止身管溫度過(guò)高，保證身管使用壽命，需要嚴(yán)格按照射擊規(guī)范中所規(guī)定的發(fā)射速度進(jìn)行射擊。

2. 基于多體動(dòng)力學(xué)的火炮系統(tǒng)后坐運(yùn)動(dòng)仿真分析

火炮系統(tǒng)在后坐過(guò)程中，受到炮膛合力F_pt、復(fù)進(jìn)機(jī)力F_f、制退機(jī)液壓阻力φ₀、反后坐裝置緊塞具摩擦力F、搖架摩擦力F_T等作用^{[3， 4]}。后坐運(yùn)動(dòng)方程為

式中，m_h為后坐部分質(zhì)量;x為后坐位移;為射角。

火炮系統(tǒng)受力較為復(fù)雜，通過(guò)解算方程分析后坐運(yùn)動(dòng)較為困難?？苫趧?dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立火炮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖2所示。開(kāi)展仿真講解。

基于仿真模型，可以仿真分析火炮的后座運(yùn)動(dòng)情況，載荷變化情況。同時(shí)也可以分析出炮口振動(dòng)、火炮射擊穩(wěn)定性以及火炮后座運(yùn)動(dòng)的影響因素，如裝藥量、溫度、射角等。后坐位移曲線如圖3所示。

3. 基于流體力學(xué)的反后坐裝置流場(chǎng)仿真分析

反后坐裝置在后坐過(guò)程起到消耗及儲(chǔ)存后坐能量，且推動(dòng)后坐部分恢復(fù)原位的重要作用。在后坐能量消耗方面，制退機(jī)液壓阻力占到70%。駐退機(jī)腔室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液體在后坐時(shí)，最大流動(dòng)速度達(dá)到100m/s以上。針對(duì)制退機(jī)在后坐時(shí)的腔室液體流動(dòng)、液體壓力等，可結(jié)合流體力學(xué)軟件Fluent，建立仿真計(jì)算模型，進(jìn)行仿真講解。

制退機(jī)內(nèi)部零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較小，首先在保證數(shù)值模擬精度的前提下，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，保持主要尺寸和特征不變;然后利用Fluent前處理軟件Gambit對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，建立仿真模型^[5]。

基于仿真模型，可以仿真分析出制退機(jī)內(nèi)各腔室的壓力變化情況，液體流速情況。不同時(shí)刻活塞區(qū)域壓力云圖如圖4所示。根據(jù)腔室內(nèi)流場(chǎng)情況，可以計(jì)算出制退機(jī)液壓阻力，同時(shí)也可以分析出制退機(jī)內(nèi)部流速、壓力較大的位置，為裝備維護(hù)保障提供參考。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)火炮裝備原理課程特點(diǎn)，引入虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合研究對(duì)象，建立火炮系統(tǒng)及部組件的多體動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、有限元等不同類型的仿真模型，仿真分析在不同工況下的受力、應(yīng)力、后坐運(yùn)動(dòng)，以及炮口振動(dòng)、射擊穩(wěn)定性等。較于傳統(tǒng)教學(xué)方式的方程公式推導(dǎo)，更直觀清晰地展現(xiàn)裝備原理特性，更容易理解掌握理論知識(shí)，對(duì)于提高授課質(zhì)量，達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]杜中華，趙建新，《火炮與自動(dòng)武器原理》算例教學(xué)法實(shí)踐[J].科技視界，2019（2）：124-126.

[2]楊艷峰，鄭堅(jiān)，狄長(zhǎng)春等.基于ANSYS火炮身管傳熱仿真[J].火力指揮與控制，2013：38（8）：134-136.

[3]殷軍輝.基于彈炮耦合模型與虛擬樣機(jī)技術(shù)的彈丸起始擾動(dòng)優(yōu)化研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2011.

[4]韓國(guó)柱，杜中華，趙建新.火炮與自動(dòng)武器原理[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2017.

作者簡(jiǎn)介

楊玉良（1987—），男，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)講師，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)。