航炮后坐對供彈系統(tǒng)影響的半實物仿真系統(tǒng)及動力學(xué)的仿真分析

張洋，劉聰

（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

0 引言

為了提升航空自動武器的射速及可靠性，需對其供彈系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。由于傳統(tǒng)單鏈供電技術(shù)容易受剛度及強度因素的限制，所以無法實現(xiàn)快速補彈，對于射速要求也無法滿足。此時，無鏈供彈技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)自身精度、耗能、可靠性及機械性與傳統(tǒng)彈鏈供應(yīng)技術(shù)相比優(yōu)勢凸顯。近年來，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使該技術(shù)在高射速自動武器方面應(yīng)用愈加廣泛。供彈結(jié)構(gòu)在自動武器機構(gòu)中最為復(fù)雜，因供彈結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成武器故障的幾率占總故障的30%-70%。為了使高速無鏈供彈系統(tǒng)動作可靠性得以有效提高，同時，避免因卡彈、停射導(dǎo)致武器不能正常工作的情況，故對高射速航空自動武器無鏈供彈系統(tǒng)總體設(shè)計進行相應(yīng)的改善與優(yōu)化，在現(xiàn)階段社會發(fā)展進程中是非常有必要的。

1 高速無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)組成

圖1 高速無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1高速無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可見，該系統(tǒng)可分為兩部分，分別為結(jié)構(gòu)部分和控制部分，其中控制部分主要是對傳感器與中心數(shù)控器的控制，而結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，包括彈箱、后座模擬系統(tǒng)、閉合彈鏈與彈藥等。后座模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為圓柱凸輪，通過與自動供彈的連接實現(xiàn)后坐復(fù)進運動[1]。供彈接口是無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)的中心部分，通過對該接口部分的模擬來進一步證明后坐對無鏈供彈系統(tǒng)的產(chǎn)生的影響。

2 高射速航炮無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)動力學(xué)分析

基于多體系統(tǒng)動力學(xué)進行研究虛擬樣機技術(shù)，充分利用柔性與多剛體動力學(xué)來對各構(gòu)件之間的運動特性進行詳細(xì)探析。本文利用虛擬機軟件平臺ADAMS對無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)進行分析。

在ADAMS中剛體坐標(biāo)分別用a、b、c表示，即T=(a,b,c)r。剛體方位的歐拉角分別用ψ,?,θ表示，即χ= (ψ,?,θ)r，則物體i的坐標(biāo)用表示。根據(jù)物體整體坐標(biāo)系可用以下方式來表示線和角的速度，即其結(jié)果用公式（1）進行計算[2]。

ADAMS根據(jù)機械系統(tǒng)模型多剛體動力學(xué)方程用方程（2）表示。

則位置與速度之間的關(guān)系運動學(xué)方程用以下方式顯示。

ADAMS以機械模型為基礎(chǔ)，自行構(gòu)建系統(tǒng)運行方程，即拉格朗日運行方程。

公式（3）中，動能用K表示，系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)則為qj，F(xiàn)j為廣義力，系統(tǒng)約束方程用ψi表示。若公式中零矩陣為o，那么此時的動能可用公式（4）表示。

■2.1 高射速無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)虛擬樣機模型構(gòu)建

圖2 模型建立步驟

圖3 半實物仿真系統(tǒng)虛擬樣機模型分析

圖2是無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)虛擬樣機的模型構(gòu)建步驟，其構(gòu)建過程首先是通過幾何建模，利用裝配和幾何實體造型進行構(gòu)建；其次是系統(tǒng)建模，充分利用系統(tǒng)各部分零件之間的運動及約束關(guān)系，建立虛擬樣機；最后，仿真分析是對虛擬樣機關(guān)鍵指標(biāo)和實驗數(shù)據(jù)對比，以此來對樣機的可靠性及準(zhǔn)確性進行驗證[3]。三維實體建模時義模擬樣機為基礎(chǔ)，為其提供在真實環(huán)境下的物理及結(jié)構(gòu)特性，而后坐模擬系統(tǒng)主要是實現(xiàn)供彈接口部分后坐的模擬。

■2.2 無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)虛擬樣機仿真分析

基于ADAMS所建立的無鏈供彈系統(tǒng)虛擬樣機模型，將半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了簡化并對該系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真。通過對簡化后坐模型虛擬樣機的仿真試驗分析得知，無鏈供彈、炮彈以及電機輸出軸阻力的運行狀態(tài)，并利用各關(guān)鍵部件進一步對該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性進行驗證[4]。

■2.3 關(guān)鍵部件的有限元分析

無鏈供彈系統(tǒng)在供彈運行過程中，若關(guān)鍵驅(qū)動部件為充分發(fā)揮自身作用，則導(dǎo)致剛度強度無法滿足供彈需求，此時，系統(tǒng)會出現(xiàn)故障停止運行。為了避免故障出現(xiàn)，保持機構(gòu)可靠性，對部件剛度強度的優(yōu)化分析是非常有必要的。無鏈供彈系統(tǒng)在運行過程中振動較大，主要原因是因為部件較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法準(zhǔn)確快捷的對其剛度及強度進行分析計算，所以只能通過利用有限元發(fā)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進行可靠性分析。

2.3.1 有限元發(fā)理論

有限元法即有限單元法，核心理論思想是將問題求解過程離散化，將得到的有限單元靠節(jié)點進行連接，并選擇合理方式對單元內(nèi)部節(jié)點量關(guān)系進行求解。因單元形狀過于簡便，故將各單元進行集合，以方程式入組得到該線性方程組的節(jié)點量，促使導(dǎo)出量問題盡快解決。若當(dāng)前所選擇節(jié)點為未知節(jié)點作為方程組，方可稱之為位移法；若是節(jié)點力為未知，那么將其稱為力法。有限單元法自身對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計及計算精度較高，且可靠性好，再降低產(chǎn)品制作成本的同時，還為各企業(yè)減少了研制費用及產(chǎn)品設(shè)計費用。

圖4 有限元分析步驟

2.3.2 關(guān)鍵部件強度剛度分析

高速無鏈供彈系統(tǒng)輸彈與閉合彈鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析是通過有線元法進行計算的，該計算步驟詳情如圖4所示?；跓o鏈供彈系統(tǒng)剛度強度分析結(jié)果可見，閉合彈鏈與輸彈環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，可通過重要部件運行狀態(tài)來滿足該系統(tǒng)的強度與剛度要求[5]。

3 結(jié)語

全文通過高速無鏈供彈半實物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，在無射擊情況下對其后坐進行詳細(xì)研究。根據(jù)輸彈單元的特點及結(jié)構(gòu)受力情況對后坐位移變化的影響，并對該系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性進行了驗證?；贏DAMS軟件構(gòu)建供彈半實物仿真系統(tǒng)，并對虛擬樣機模型進行仿真實驗設(shè)計，主要目的是通過仿真后坐位移曲線及運行參數(shù)對該系統(tǒng)的運行特點進行研究。最后，根據(jù)關(guān)鍵部件剛度強度再滿足系統(tǒng)機構(gòu)運行情況時，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理性進行了充分驗證。