考慮柔性非線性的武器站炮口振動影響規(guī)律研究

馮帥 鄭博文 張?zhí)煲?/p>

摘 要：為研究柔性非線性作用下緩沖器參數(shù)對頂置武器站炮口振動的影響規(guī)律，建立了含關(guān)重件柔性體的頂置武器站剛?cè)狁詈习l(fā)射動力學(xué)模型?；谀B(tài)中性文件將武器站關(guān)重件處理為柔性體，并通過模態(tài)分析對比試驗數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分別研究了緩沖器剛度、阻尼對頂置武器站炮口振動的單因素影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，炮口振動受緩沖器剛度的影響小，而受阻尼的影響較大。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù);頂置武器站;炮口振動;模態(tài)分析;有限元模型

0 引言

頂置武器站是可配備多種武器和不同組合的火力控制系統(tǒng)，可搭載于不同軍用車輛及平臺的模塊化武器系統(tǒng)[1]。文獻[2]指出，射擊載荷引起的炮口振動是影響武器站射擊精度的重要因素。為研究炮口振動特性，研究人員往往采用動力學(xué)仿真的手段，其中，建立高精度動力學(xué)模型是重中之重的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，研究人員在建立動力學(xué)仿真模型時，會根據(jù)實際中的非線性因素建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。朱玉川等[3]在建立多管火箭炮位置伺服系統(tǒng)時考慮了不平衡力矩的影響。張金龍等[4]考慮了接觸間隙的非線性效應(yīng)，在火炮起落部分動力學(xué)模型中納入接觸間隙的數(shù)學(xué)模型;謝潤等[5]考慮了射擊載荷引起部件變形的柔性非線性，建立某型自行火炮動力學(xué)模型時將身管處理為柔性體。由此可見，影響炮口振動的非線性因素主要包括接觸非線性、柔性非線性以及不平衡力矩非線性等。

在建立動力學(xué)模型后，研究人員從彈丸運動參數(shù)、行駛工況以及緩沖器參數(shù)等[6-8]不同角度對炮口振動的影響規(guī)律展開研究。然而，上述文獻只是就單因素對炮口振動的影響規(guī)律進行研究，并沒有考慮到因素間存在耦合效應(yīng)，初始條件的變化也有可能導(dǎo)致單因素影響規(guī)律的變化。

因此，本文著重考慮柔性非線性，以緩沖器參數(shù)為自變量研究其對炮口振動的影響規(guī)律?；谀B(tài)中性文件生成關(guān)重件的有限元模型，構(gòu)建了頂置武器站剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，并通過模態(tài)試驗驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，以頂置武器站炮口振動為目標(biāo)函數(shù)，以緩沖器剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)為自變量進行單因素及多因素的影響規(guī)律研究，研究結(jié)果可為下一步抑制炮口振動、提高射擊精度提供理論參考。

1 武器站剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型

根據(jù)武器站發(fā)射過程中各部件的受力特點，將身管、支撐架、托架、耳軸等主要受力且對炮口振動影響較大的部件處理為柔性體，并基于多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS導(dǎo)入模態(tài)中性文件的方法[10]建立相關(guān)部件的柔性體，其流程如圖1所示。

相關(guān)部件的網(wǎng)格模型如圖2～圖5所示。最終建立起頂置武器站剛?cè)狁詈习l(fā)射動力學(xué)模型，如圖6所示。

2 緩沖器參數(shù)對炮口振動影響規(guī)律研究

緩沖器力學(xué)性能主要由剛度系數(shù)及阻尼系數(shù)決定。因此，在上述構(gòu)建的頂置武器站剛?cè)狁詈习l(fā)射動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別以緩沖器剛度及阻尼為自變量，研究其對炮口振動的影響規(guī)律。

2.1 緩沖器剛度對炮口振動影響規(guī)律

分別取剛度系數(shù)K1=500N/mm、K2=1000N/mm、K3=2000N/mm，保持阻尼系數(shù)不變，對不同剛度下頂置武器站進行5連發(fā)動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖7、8所示。限于篇幅，炮口振動參量隨時間變化曲線僅列出高低向線速度。

由上述仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）對于振動頻率，炮口振動參量在不同剛度下的振動曲線幾乎重合，且相同次序的最大振幅出現(xiàn)時間相同（如高低向線速度的第1發(fā)載荷引起最大振幅時間在3種剛度下均為0.0228秒），表明剛度變化對炮口振動頻率不影響;

（2）對于振動幅值，炮口振動參量最大振幅平均值在不同剛度下的變化幅度均小于1%，，表明剛度的變化對炮口振動幅值影響甚微。

以上表明，緩沖器剛度對炮口振動的影響較小。此外，在仿真中發(fā)現(xiàn)，剛度變化對于不同振動參量呈現(xiàn)不一樣的影響規(guī)律，其中角位移參量隨剛度增加而減小，線速度參量則隨剛度增加而增大。

2.2 緩沖器阻尼對炮口振動影響規(guī)律

分別取阻尼系數(shù)C1=20Ns/mm、C2=40Ns/mm、C3=60Ns/mm，保持剛度系數(shù)不變，對不同阻尼下頂置武器站進行5連發(fā)動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖9、10所示。

由上述仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）對于振動頻率，以高低向線速度為例，其第1發(fā)載荷最大振幅時間在3種阻尼下分別為0.0023s、0.00228s、0.00226s，峰值時間隨著阻尼的增大而減小，表明炮口振動頻率隨著阻尼的增加而增加;

（2）對于振動幅值，從總體趨勢上看，阻尼變化對不同炮口振動參量的影響規(guī)律相同，即阻尼越大，振動參量最大幅值越小;從局部細節(jié)上看，阻尼的變化對不同振動參量的影響程度不同，其中，當(dāng)阻尼系數(shù)從C1變化到C3時，高低向線速度、水平向線速度、高低向角位移、水平向角位移的變化幅度分別為14.617%、12.141%、10.336%、6.95%，變化幅度最大為高低向線速度，最小為水平向角位移，表明阻尼變化對線速度參量的影響要大于角位移參量。

以上表明，緩沖器阻尼對炮口振動的影響較大。

3 結(jié)論

本文以頂置武器站炮口振動為研究對象，考慮了柔性非線性的影響，將關(guān)重件處理為柔性體后構(gòu)建了頂置武器站剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，通過模態(tài)分析驗證了模型的精確性，并就緩沖器參數(shù)對炮口振動的影響規(guī)律進行研究，主要有以下結(jié)論：

（1）基于模態(tài)理論描述的柔性體，不僅能符合實際部件的動力學(xué)特性，而且能根據(jù)精度要求截取相應(yīng)階數(shù)的模態(tài)，大大提高動力學(xué)模型的仿真效率，有效實現(xiàn)了仿真精度與效率的并舉;

（2）緩沖器剛度的變化對炮口振動的影響較小;相比之下，阻尼的變化對炮口振動的影響較大，會引起振動頻率及幅值的變化，但不影響其宏觀上的振動趨勢。

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