基于動力學(xué)仿真的某彈藥輸送車補(bǔ)彈時序優(yōu)化

單春來，侯立國，高華，李廣寧，古斌

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

在我國近幾年火炮裝備的發(fā)展中，以155 mm口徑為主的大口徑壓制火炮成為研制和列裝的重點(diǎn)裝備[1-2]。這些大口徑火炮執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時，主要進(jìn)行對敵火力打擊和壓制，而由于火炮自身攜彈量有限，往往還需要彈藥輸送車等裝備保障其持續(xù)作戰(zhàn)能力。但在目前的裝備研制工作中，主要關(guān)注點(diǎn)仍集中于火炮自身，彈藥輸送車往往得不到足夠重視，研制的型號也相對較少。為滿足彈藥供應(yīng)、機(jī)動牽引、構(gòu)工挖掘、物資攜帶等功能要求，提高持續(xù)作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)場生存能力，彈藥輸送車的研制需要得到足夠重視。

履帶式彈藥輸送車通常與其負(fù)責(zé)保障的自行火炮使用相同的底盤，從而減少后勤保障壓力；車內(nèi)裝載1～1.5個基數(shù)的彈丸以及發(fā)射藥，并配備相應(yīng)的供補(bǔ)彈系統(tǒng)。

近年來，隨著裝備的研制和相關(guān)研究項目的進(jìn)行，火炮供輸彈系統(tǒng)方面的研究也在不斷完善。如文獻(xiàn)[3]利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計了一種具有半自動補(bǔ)彈功能的取彈裝置；文獻(xiàn)[4]對某艦炮的自動補(bǔ)彈系統(tǒng)中的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；文獻(xiàn)[5]設(shè)計了火炮補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彈器并對關(guān)重件進(jìn)行了強(qiáng)度分析。相關(guān)方向研究還有很多，不再贅述。但以上述文獻(xiàn)為例的大量研究工作仍主要集中于火炮裝備中的供輸彈及補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)，相比之下對彈藥輸送車的供補(bǔ)彈系統(tǒng)的研究較少，可參見的文獻(xiàn)包括：文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種自行火炮的補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)，對補(bǔ)給彈丸的路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；文獻(xiàn)[7]采用動力學(xué)仿真方法，設(shè)計了一種彈藥輸送車的回轉(zhuǎn)庫，可供大口徑彈藥輸送車使用；文獻(xiàn)[8]對某火炮補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)輸彈器進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，證明該設(shè)計方案可以實現(xiàn)預(yù)期需求。

不同于火炮裝備火力系統(tǒng)具有典型相似性的特點(diǎn)，根據(jù)不同裝備的研制需求，彈藥輸送車中的供補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)設(shè)計差異較大，如文獻(xiàn)[6-8]中的設(shè)計方案各有不同。為滿足我國炮兵的實戰(zhàn)需求，開展包括某彈藥輸送車在內(nèi)的新一代大口徑火炮武器系統(tǒng)的研制。為提高持續(xù)作戰(zhàn)能力，彈藥輸送車配備全自動裝填和供補(bǔ)彈系統(tǒng)[9]，為此，需要對彈藥輸送車的供補(bǔ)彈系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及優(yōu)化。在以往的研究工作中，關(guān)于彈藥車供補(bǔ)彈過程的時序過程優(yōu)化的公開研究很少。筆者以該型裝備的研制為依托，從動力學(xué)的角度，對保障工作中向彈藥輸送車補(bǔ)彈過程中的抓彈機(jī)工作時序進(jìn)行優(yōu)化，降低結(jié)構(gòu)中的載荷，從而提高工作過程的穩(wěn)定性和可靠性，同時進(jìn)一步縮短補(bǔ)彈時間，提升抓彈機(jī)的性能。

1 供補(bǔ)彈系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1所示是美國為M109自行火炮配裝的M992型彈藥輸送車及其供彈方式。供彈時，輸送車與火炮車尾相對，輸送車的供補(bǔ)彈系統(tǒng)由其車尾伸出，與火炮底盤內(nèi)的供輸彈系統(tǒng)對接，彈丸沿供彈滑槽被推入火炮中以實現(xiàn)供彈功能。本文研制背景的彈藥輸送車的供補(bǔ)彈系統(tǒng)組件位于底盤內(nèi)，向火炮供彈的方式與圖1所示的M992型彈藥輸送車相同。

對輸送車自身補(bǔ)彈的過程則沿相同路徑，由外部的補(bǔ)彈機(jī)將彈丸反向推入車中，并由抓彈機(jī)裝入彈筒。彈藥輸送車供補(bǔ)彈系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

彈藥輸送車內(nèi)部的供補(bǔ)彈系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。為滿足車體的尺寸指標(biāo)，彈倉采用立式結(jié)構(gòu)分布在車體兩側(cè)以減少空間尺寸；彈倉中的彈筒之間采用鏈條連接并由電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動其旋轉(zhuǎn)，抓彈機(jī)向最外側(cè)彈筒內(nèi)補(bǔ)彈或取彈。抓彈機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，為清晰顯示主體結(jié)構(gòu)，圖2(b)中隱藏了各驅(qū)動電機(jī)、彈倉等部件。

為保證裝備的運(yùn)輸及投送要求，輸送車的質(zhì)量、尺寸及攜彈量均有嚴(yán)格限制，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案已經(jīng)確定；根據(jù)其指標(biāo)要求，抓彈機(jī)在每個補(bǔ)彈循環(huán)中總用時不超過7.4 s。針對其自身補(bǔ)彈過程，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗、指標(biāo)需求以及驅(qū)動電機(jī)和變速器的選型，設(shè)計補(bǔ)彈循環(huán)時序圖如圖3所示。

2 供輸彈過程仿真

2.1 供彈系統(tǒng)動力學(xué)仿真

根據(jù)圖2所示的抓彈機(jī)設(shè)計方案及圖3所示的補(bǔ)彈循環(huán)時序圖，以RecurDyn軟件為工具，建立多體動力學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)彈過程的仿真計算。仿真分析中假設(shè)[10]：各部件視為剛體；電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定；各運(yùn)動副視為理想裝配無磨損及晃動；機(jī)構(gòu)運(yùn)動為勻加速和勻減速過程；彈筒保持靜止。

仿真得到的抓彈機(jī)補(bǔ)彈過程如圖4所示。在向立式彈倉中補(bǔ)彈時，從初始位置(a)開始，抱彈盤向下翻轉(zhuǎn)92.2°后與滑槽中彈丸的軸線重合，抓彈手抱彈如(b)所示，然后抱彈盤向上翻轉(zhuǎn)回到鉛直位置(c)后，回轉(zhuǎn)臂向左轉(zhuǎn)動90°到(d)，滑臂的滑槽沿滑軌向彈筒平移并將彈丸送入彈筒中，彈筒上的彈丸固定器被抓彈手頂起后打開，固定器抱住彈丸如圖4(e)所示，滑臂平移回到初始位置，回轉(zhuǎn)臂向右轉(zhuǎn)動90°到(f)后即可準(zhǔn)備進(jìn)行下一個補(bǔ)彈循環(huán)。通過對仿真結(jié)果的分析可知，抓彈機(jī)及其補(bǔ)彈時序的初始設(shè)計方案已能夠較平穩(wěn)地完成供彈過程。

2.2 補(bǔ)彈過程分析

在補(bǔ)彈過程的仿真結(jié)果動畫中可以看到一些需要關(guān)注的響應(yīng)結(jié)果。如圖5所示是抓彈手抱彈后抱彈盤向上翻轉(zhuǎn)回到鉛直位置時彈丸的晃動情況。圖5(a)和(b)中，紅色線為彈丸軸線，藍(lán)色線為鉛直線，從兩條標(biāo)識線的夾角可以看出彈丸有明顯晃動。從圖5(c)的曲線可知，0.5 s時抱彈盤開始向上翻轉(zhuǎn)，1.3 s時回到鉛直位置時，彈丸由于慣性繼續(xù)運(yùn)動并與機(jī)構(gòu)發(fā)生輕微磕碰，最大角度達(dá)到91.70°，而后在重力的作用下恢復(fù)到89.79°，即發(fā)生了1.91°的明顯晃動；在彈丸被抓起的過程中，被抓起時刻和到達(dá)預(yù)定位置的時刻會出現(xiàn)明顯的瞬態(tài)振動，角加速度最高達(dá)到5 066(°)/s2。即在該時序中，彈丸晃動角度較大，且沖擊振動明顯，對補(bǔ)彈過程會造成振動、定位不準(zhǔn)等影響。對于實際裝備結(jié)構(gòu)來說，由于制造過程中存在誤差、結(jié)構(gòu)彈性變形、結(jié)合部晃動、長期使用造成零部件磨損以及由于路面不平而導(dǎo)致輸送車車體存在傾角等原因，該晃動角度有可能進(jìn)一步增大，當(dāng)晃動角度超過3°時會存在彈丸滑落的風(fēng)險。如果通過對時序過程的優(yōu)化改善抓彈狀態(tài)，則有利于提高該裝備的供彈可靠性。

在彈丸被抓起后，回轉(zhuǎn)臂向左轉(zhuǎn)向彈筒供彈的方向。該抓彈機(jī)的設(shè)計方案中，抓彈手是結(jié)構(gòu)較小但承載較復(fù)雜的部件。在回轉(zhuǎn)臂向左轉(zhuǎn)動時，兩側(cè)抓彈手分別負(fù)責(zé)帶動和停止彈丸的運(yùn)動，即均受到彈丸的慣性力作用。雖然該力較小不會造成結(jié)構(gòu)損壞，但為提升補(bǔ)彈過程的平順性，仍需對其進(jìn)行限制。該過程中，左、右抓彈手的抓彈狀態(tài)和受力曲線如圖6所示。由圖6(a)中可以看到，抓彈手的抓彈面設(shè)計為可與彈丸圓柱面相配合的圓弧形狀，從而保證將彈丸從水平位置抓起的過程中彈丸不會脫落，同時在彈丸處于豎立狀態(tài)時抓彈手與彈丸之間的接觸力最小。因此，如圖6(b)中所示，在回轉(zhuǎn)臂剛開始轉(zhuǎn)動時，抓彈手的受力基本為0 N；在開始向左轉(zhuǎn)動后，首先由右抓彈手帶動彈丸一起運(yùn)動，右抓彈手受力達(dá)到170 N；回轉(zhuǎn)臂繼續(xù)加速轉(zhuǎn)動時，彈丸沿抓彈手的弧面向外滑移并與左抓彈手接觸，左抓彈手也開始受力；但在該加速過程中，在彈丸慣性力的作用下，右抓彈手受力大于左抓彈手的受力；當(dāng)回轉(zhuǎn)臂由加速轉(zhuǎn)動變?yōu)闇p速轉(zhuǎn)動的瞬間，左、右抓彈手與彈丸短暫分離(曲線上受力為0段)后，受力幾乎同時達(dá)到約為300 N的峰值，即抓彈手受力最大時刻為回轉(zhuǎn)臂由加速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向為減速轉(zhuǎn)動后的瞬間；隨后回轉(zhuǎn)臂開始減速轉(zhuǎn)動，減速過程中左抓彈手的受力大于右抓彈手的受力。同樣的，如果能夠通過時序優(yōu)化降低過程中抓彈手的受力，則有利于提高該過程的穩(wěn)定性和可靠性。

在交彈過程中，抓彈手將與固定器發(fā)生碰撞，通過其碰撞位置的倒角將固定器頂起并將彈丸固定在彈筒中，如圖7所示。控制該處碰撞力的大小，有利于降低結(jié)構(gòu)振動和彈性變形，從而減少固定器卡滯的可能，提高可靠性，并能緩解倒角位置的磨損，延長使用壽命。

3 補(bǔ)彈過程優(yōu)化

3.1 優(yōu)化問題的分析及構(gòu)建

從圖3中看到，為了便于設(shè)計和控制，原設(shè)計中同一部件的不同時序時長相同，如抱彈盤的下翻過程和上翻過程均設(shè)計為0.8 s。然而抱彈盤下翻時為空載狀態(tài)，其自身結(jié)構(gòu)以碳纖維、鋁合金等輕質(zhì)材料為主，質(zhì)量較輕；但完成抓彈后，攜帶彈丸上翻過程的負(fù)載較大，同樣時長的上翻過程會造成彈丸出現(xiàn)明顯晃動。因此，這樣的設(shè)計時序會導(dǎo)致補(bǔ)彈過程出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動較大、電機(jī)負(fù)載過高或功率浪費(fèi)等問題，同時工作時序的總時長也有進(jìn)一步壓縮的可能。為此，從動力學(xué)的角度出發(fā)，對圖3所示的補(bǔ)彈時序進(jìn)行優(yōu)化。

截取圖3中抓彈機(jī)的工作時序，如圖8所示。該工作循環(huán)共分為Ⅰ～Ⅷ共8個工作時序，時序之間的時間點(diǎn)用t0到t8表示。由于車內(nèi)空間限制，各過程不能合并，否則會出現(xiàn)部件運(yùn)動路徑干涉。由圖8可以清晰地看出，各部件的時序可以分為空載時序、負(fù)載時序和功能時序：

1)空載時序：即機(jī)構(gòu)不抱彈的過程，電機(jī)負(fù)載較小，時序時長可以適當(dāng)縮短，如圖8中的Ⅰ、Ⅶ、Ⅷ。

2)負(fù)載時序：即機(jī)構(gòu)帶彈運(yùn)動的過程。由于大口徑火炮的彈丸較重，負(fù)載時序中電機(jī)負(fù)載較大，同時考慮到機(jī)構(gòu)中的振動沖擊以及彈丸的穩(wěn)定，時序時長應(yīng)略高于空載時序，如圖8中的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

3)功能時序：不涉及彈重影響的時序，如圖8中的Ⅱ和Ⅵ。

根據(jù)工作過程的承載特點(diǎn)，為提升抓彈機(jī)工作過程的平穩(wěn)性，對于某一確定的部件，顯然應(yīng)該有負(fù)載時序>空載時序，在結(jié)構(gòu)中通過對電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出扭矩的控制和變速器的變速調(diào)節(jié)可實現(xiàn)這一設(shè)計思路。對于功能時序Ⅱ和Ⅵ，抓彈手在兩個時序中的承載不受彈丸影響，因而時序Ⅱ和時序Ⅵ的時長可保持相同。

3.2 供彈系統(tǒng)的補(bǔ)彈時序優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化參數(shù)

在保持結(jié)構(gòu)設(shè)計方案不變的條件下，對該抓彈機(jī)的補(bǔ)彈時序進(jìn)行優(yōu)化，以提升其工作過程的平穩(wěn)性，同時進(jìn)一步減少工作循環(huán)的總時長。因而，優(yōu)化參數(shù)應(yīng)取圖8中所示的工作時序Ⅰ～Ⅷ的時長，記為Ti(i=1～8)，共8個設(shè)計參數(shù)，即圖8中時序Ⅰ中從時間點(diǎn)t0到t1的時長為T1，依此類推。

3.2.2 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)上述分析，優(yōu)化目標(biāo)需要最小化補(bǔ)彈時長和負(fù)載時序中的結(jié)構(gòu)受力或響應(yīng)狀態(tài)，即：

2)抱彈盤上翻過程中(時序Ⅲ)彈丸的最大晃動角度；

3)回轉(zhuǎn)臂左轉(zhuǎn)90°過程中(時序Ⅳ)彈丸作用于左右兩側(cè)抓彈手的最大慣性力；

4)抓彈機(jī)向彈筒中供彈時(時序Ⅴ)抓彈手與彈筒固定器之間的碰撞力。

3.2.3 約束條件

該優(yōu)化過程的總體思路是通過對各時序過程進(jìn)行合理的時長分配來降低總時長和零部件受力，在優(yōu)化過程中需要考慮可實現(xiàn)性，各優(yōu)化目標(biāo)不可能無限制減少或增加，因此約束條件主要包括：

1)根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗和前期的方案論證工作，各時序時長Ti的最小值取0.7 s；

(1)

(2)

如滑臂(Slide Arm, SA)做平移動作的驅(qū)動電機(jī)輸出的驅(qū)動力用于完成時序Ⅴ和時序Ⅶ中的動作，則在優(yōu)化中縮短空載時序時，應(yīng)保證滑臂在時序Ⅶ中的驅(qū)動力小于時序Ⅴ中的驅(qū)動力，即：

(3)

3.2.4 優(yōu)化求解

使用RecurDyn進(jìn)行動力學(xué)仿真求解，設(shè)置輸入和輸出文件后在Isight中進(jìn)行讀取、調(diào)用和優(yōu)化求解。Isight中的調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9中，“設(shè)計參數(shù)讀入”組件用于讀取輸入文件中如3.2.1節(jié)所述的各設(shè)計參數(shù)；“RecurDyn計算”組件用于調(diào)用RecurDyn求解器并根據(jù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真計算；“仿真結(jié)果讀取”組件用于讀取計算后輸出文件中的仿真結(jié)果；“約束條件判定”組件根據(jù)讀取的仿真結(jié)果計算3.2.3所述的約束條件并判定其是否滿足約束；“近似函數(shù)構(gòu)建”組件用于根據(jù)大量仿真計算結(jié)果構(gòu)建近似模型；“優(yōu)化計算”組件用于對構(gòu)建后的近似模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

為控制優(yōu)化過程的計算時長，進(jìn)行1 000次仿真計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建近似模型，并對其進(jìn)行誤差分析，使用方根誤差RMSE和決定系數(shù)R2作為誤差指標(biāo)：

(4)

(5)

均方根誤差RMSE用來表示預(yù)測值與真實值之間的差異程度，其值越小，表示近似模型的預(yù)測精度越高；決定系數(shù)R2位于[0,1]之間，越趨近于1表示近似模型與原模型的相似度越高。當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的RMSE≤0.2且R2≥0.9時，認(rèn)為近似函數(shù)的精度達(dá)到要求。

采用NSGA-II優(yōu)化算法，種群規(guī)模200個，迭代200代，交叉概率為0.8，突變概率為0.01，對通過誤差檢驗的近似模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化計算后得到改進(jìn)后的抓彈機(jī)工作時序方案，并在RecurDyn中重新計算以保證優(yōu)化結(jié)果的精度。

4 優(yōu)化結(jié)果對比

優(yōu)化前后的時序?qū)Ρ热绫?所示。

表1 優(yōu)化前后時序?qū)Ρ?/p>

從表1中可以看出，優(yōu)化前的各工作時序?qū)嶋H上已經(jīng)比較符合最優(yōu)設(shè)計方案的分布趨勢。優(yōu)化后，空載時序Ⅰ、Ⅶ、Ⅷ的時長均有縮短，負(fù)載時序Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的時長有所增加，總補(bǔ)彈循環(huán)用時減少0.2 s，提升了2.7%。

圖10所示為抓彈機(jī)在時序Ⅲ優(yōu)化前后的彈丸晃動對比曲線。由圖10可以看出，優(yōu)化后的時序有效降低了彈丸俯仰方向的晃動，最大晃動角度由1.91°減小到了0.65°，減小了66.0%；該過程中彈丸的最大角加速度從5 066(°)/s2減小到2 800(°)/s2，彈丸所受的沖擊降低了44.7%。通過時序過程的優(yōu)化，有效提升了時序Ⅲ的穩(wěn)定性。

時序Ⅳ優(yōu)化前后的左、右抓彈手受力對比曲線如圖11所示。由曲線可以看出，通過該時序時長的增長，左、右抓彈手的受力曲線都更為平緩，且峰值力都有所降低。其中，左抓彈手的受力由298 N降低至258 N，降低了13.4%；右抓彈手的受力由299 N降低至251 N，降低了16.1%。該時序過程的穩(wěn)定性和可靠性也得到了明顯提升。

時序Ⅴ優(yōu)化前后抓彈手與固定器的撞擊力對比曲線如圖12所示。由該曲線可以看出，固定器的撞擊力由優(yōu)化前的125 N降低至111 N，降低了11.2%，能夠減少固定器發(fā)生卡滯的可能，并一定程度上緩解其倒角位置的磨損。

綜上所述的優(yōu)化結(jié)果對比如表2所示。

表2 優(yōu)化前后關(guān)鍵響應(yīng)對比

優(yōu)化后的時序方案中，彈丸晃動減少了66.0%，抓彈手不同位置的受力也都降低了11.2%～16.1%，即在補(bǔ)彈時長壓縮后，補(bǔ)彈過程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也更加平穩(wěn)，抓彈機(jī)的補(bǔ)彈性能得到了有效提升。

5 結(jié)論

從動力學(xué)的角度出發(fā)，對某型彈藥輸送車供補(bǔ)彈系統(tǒng)中的抓彈機(jī)自補(bǔ)彈時序進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化。將抓彈機(jī)的補(bǔ)彈過程分為負(fù)載時序、空載時序和功能時序，以各時序時長為設(shè)計參數(shù)，以工作循環(huán)的總用時和補(bǔ)彈過程中關(guān)鍵位置的載荷及響應(yīng)狀態(tài)為優(yōu)化目標(biāo)，以不超過初始設(shè)計方案中的驅(qū)動力為約束，通過Isight調(diào)用RecurDyn進(jìn)行優(yōu)化求解，得到了優(yōu)化后的補(bǔ)彈時序過程。優(yōu)化結(jié)果表明，在不改變原設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)的前提下，優(yōu)化后的時序方案能夠在縮短總時長的同時使補(bǔ)彈過程更加平穩(wěn)。該優(yōu)化方法同樣適用于抓彈機(jī)供彈、補(bǔ)藥機(jī)供/補(bǔ)藥以及主炮內(nèi)供輸彈機(jī)構(gòu)等各類相似的工作過程時序設(shè)計。

在本文的工作中，以多體動力學(xué)仿真的計算結(jié)果為依據(jù)，模型中各部件為剛體，連接及驅(qū)動也均為理性狀態(tài)，因此模型中未能考慮零部件的磨損及振動情況。在下一步研制工作中，這些更加深入的工作可在本文內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過引入結(jié)合部特性、采用剛?cè)狁詈夏Ｐ偷确绞竭M(jìn)一步開展。