某型步兵戰(zhàn)車行進(jìn)間射擊高低機(jī)動(dòng)態(tài)接觸非線性計(jì)算

張金忠,李曉偉,童 睆,蘇忠亭

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系,北京 100072;2.北京京航計(jì)算通訊研究所 北京 100074)

射擊精度是武器裝備的主要指標(biāo)之一,炮口擾動(dòng)是表征及影響射擊精度的主要因素[1]。步兵戰(zhàn)車在行駛過程中,路面載荷對(duì)火力線與瞄準(zhǔn)線之間的隨動(dòng)有很大的擾動(dòng),從而影響射擊精度[2]。當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行射擊時(shí),高低機(jī)的輸出齒輪與齒弧之間的間隙為靜態(tài)[3],在重力作用下初始狀態(tài)靜平衡,在射擊載荷作用下主動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)對(duì)被動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)為單向接觸碰撞,而行進(jìn)間射擊時(shí),穩(wěn)定系統(tǒng)打開,高低機(jī)內(nèi)部蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)分離,但由于路面隨機(jī)載荷的作用,火炮搖架帶動(dòng)高低機(jī)輸出齒輪呈現(xiàn)雜亂無章的接觸狀態(tài),影響高低機(jī)技術(shù)狀態(tài),并影響射擊精度[4]。本文主要對(duì)某型步兵戰(zhàn)車在行進(jìn)間射擊過程中高低機(jī)齒輪、齒弧之間的動(dòng)態(tài)間隙非線性進(jìn)行建模與仿真,以建立精細(xì)、準(zhǔn)確的火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型。

1 高低機(jī)齒輪、齒弧非線性參數(shù)的計(jì)算

火炮行進(jìn)間射擊時(shí),穩(wěn)定器開啟,搖架帶動(dòng)高低機(jī)輸出齒輪晃動(dòng),高低機(jī)輸出齒輪與齒弧間為連續(xù)嚙合狀態(tài),輪齒嚙合區(qū)為齒頂對(duì)齒根區(qū)域和齒根對(duì)齒頂區(qū)域[5],針對(duì)此接觸區(qū)域的接觸力,基于Contact接觸力公式,定義含間隙的輪齒接觸面法向接觸力[6]:

(1)

式中:K為剛度系數(shù);C為阻尼系數(shù);δ為間隙;n為非線性系數(shù);rgd,rch分別為高低機(jī)輸出齒輪和齒弧圓心的嚙合點(diǎn)圓半徑;θgd,θch分別為高低機(jī)輸出齒輪和齒弧的角位移;2b為齒側(cè)間隙;Fn為齒輪嚙合法向接觸力。

在ANSYS中建立高低機(jī)輸出齒輪與齒弧有限元模型,如圖1所示。

圖1 齒輪與齒弧有限元模型

定義Contact類型為Frictional[7],Contact face為輸出齒輪,Element type為Contact 174,Target face為齒弧,Element type為Targe 170,定義非線性系數(shù)n=1.3,應(yīng)用式(1)計(jì)算雙齒接觸力,計(jì)算方法采用罰函數(shù)法[8],求得如圖2所示的雙齒區(qū)接觸特性。

圖2 高低機(jī)齒輪、齒弧雙齒嚙合接觸特性

將圖2中的接觸壓力、接觸滲透量與接觸間隙代入式(1),求得雙齒嚙合剛度為21 075 N/mm。

2 火炮行進(jìn)間射擊動(dòng)力學(xué)仿真分析

根據(jù)《車輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法》(GB7031—86)定義節(jié)點(diǎn)[9],構(gòu)建單元網(wǎng)格,構(gòu)造C級(jí)～F級(jí)仿真路面,如圖3所示,在ADAMS中調(diào)用該路面子程序進(jìn)行仿真。

圖3 各等級(jí)路面

按照各節(jié)點(diǎn)膛底合力數(shù)值,繪制膛底合力Ft的曲線,如圖4所示。

應(yīng)用ADAMS軟件建立步兵戰(zhàn)車各分系統(tǒng)模型[10],進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,添加約束、力、膛底合力以及路面載荷后,將含間隙的高低機(jī)輸出齒輪與齒弧接觸剛度系數(shù)代入高低機(jī)接觸動(dòng)力學(xué)模型中,建立步兵戰(zhàn)車整車剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,如圖5所示。

圖4 彈丸膛底合力

圖5 步兵戰(zhàn)車火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)2檔車速下步兵戰(zhàn)車火炮行進(jìn)間射擊仿真,設(shè)定邊界條件:車速為5.525 m/s,動(dòng)對(duì)靜射擊,C級(jí)、D級(jí)、E級(jí)與F級(jí)路面勻速行進(jìn)3.5 s,3 s時(shí)刻火炮常溫穿甲彈射擊。

選取高低機(jī)輸出齒輪與齒弧之間的接觸力Fc和火炮身管軸線相對(duì)于耳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω作為參量進(jìn)行分析,如圖6和圖7所示。

圖6 2檔車速高低機(jī)輸出齒輪接觸力

由圖6、圖7可以看出,步兵戰(zhàn)車勻速行駛過程中,基于高低機(jī)齒輪、齒弧的動(dòng)態(tài)間隙非線性,在步兵戰(zhàn)車行進(jìn)過程中搖架齒弧隨火炮高低俯仰部分繞耳軸旋轉(zhuǎn)對(duì)高低機(jī)輸出齒輪的沖擊力作用下,高低齒輪接觸力幅值較大,且步兵戰(zhàn)車行進(jìn)過程中的載荷為周期性載荷,與車速、履帶接地長(zhǎng)度和步兵戰(zhàn)車負(fù)重輪分布距離有關(guān)。在3～3.16 s火炮后坐復(fù)進(jìn)過程中,火炮發(fā)射沖擊載荷通過緩沖器、搖架傳遞至齒弧,與通過車體、炮塔傳遞至高低機(jī)輸出齒輪的路面載荷疊加,使得接觸力劇增,火炮高低俯仰角速度數(shù)值增大。

圖7 火炮高低俯仰角速度

3 結(jié)論

在步兵戰(zhàn)車行進(jìn)間射擊過程中,由于高低機(jī)的輸出齒輪與齒弧之間處于動(dòng)態(tài)接觸狀態(tài),因此進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),接觸剛度系數(shù)難以人工確定。本文在分析Contact接觸力公式的基礎(chǔ)上,首先預(yù)估接觸力,然后應(yīng)用ANSYS軟件雙齒嚙合接觸特性進(jìn)行修正,應(yīng)用雙齒嚙合等效接觸剛度系數(shù)代替人工輸入的方式,最終代入ADAMS軟件進(jìn)行行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真,對(duì)各參量進(jìn)行了對(duì)比分析,提高了仿真精度。