大口徑火炮反后坐裝置及定向栓空間布置對(duì)炮口振動(dòng)影響研究

張亨，樵軍謀，郭俊行，卓建平，楊健為

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

大口徑、長身管火炮的射擊精度是火炮關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,是實(shí)現(xiàn)精確打擊的基礎(chǔ),影響到武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用?；鹋诘纳鋼艟炔粌H受內(nèi)彈道過程影響,還與外彈道等諸多因素有關(guān)?；鹋谂诳谡駝?dòng)是影響火炮射擊密集度的關(guān)鍵因素之一,從火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減小炮口振動(dòng)、提高火炮射擊精度是火炮設(shè)計(jì)中的重要研究內(nèi)容之一。在工程實(shí)際中往往縱向密集度指標(biāo)較難實(shí)現(xiàn),橫向密集度指標(biāo)較易實(shí)現(xiàn),但是有些產(chǎn)品研制中也出現(xiàn)了橫向指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)的問題。就某些火炮系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,橫向密集度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況與火炮結(jié)構(gòu)方案有很大關(guān)系?；鹋诩荏w、反后坐裝置和定向栓等結(jié)構(gòu)是火炮發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分,是發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)射擊精度的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。優(yōu)化發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布置,尤其是火炮架體、反后坐裝置及定向栓空間布置,是提高火炮射擊精度的重要技術(shù)手段之一。

高波等[1]通過對(duì)搖架變形及其與反后坐裝置相互作用的分析,研究了反后坐裝置在搖架上不同安裝方式對(duì)重復(fù)工作一致性進(jìn)行了研究,但是僅為定性分析,沒有定量計(jì)算;梁傳建等[2]應(yīng)用非線性有限元理論,建立了某大口徑火炮的發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,考慮了機(jī)構(gòu)之間的接觸碰撞關(guān)系,采用數(shù)值計(jì)算研究了復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)的不同固定方式和不同布置位置對(duì)載荷傳遞規(guī)律和炮口振動(dòng)的影響,但是模型沒有涉及到定向栓布置;蕭輝等[3]使用建立了全炮剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,研究了反后坐裝置布局對(duì)炮口振動(dòng)的影響,但是多剛體軟件在計(jì)算瞬態(tài)沖擊振動(dòng)方面存在缺陷、建模時(shí)沒有考慮彈炮耦合作用的影響。

大口徑火炮發(fā)射彈丸是強(qiáng)沖擊、瞬態(tài)問題,這方面的理論研究存在模型復(fù)雜、難以求解等困難,為此國內(nèi)學(xué)者在彈丸擠進(jìn)研究、彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)研究方面開展了大量的研究工作。文獻(xiàn)[4]建立了非對(duì)稱彈丸在撓性漸速膛線身管內(nèi)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)微分方程組,求解了非對(duì)稱彈丸在漸速膛線理想身管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)果表明就減小射彈散布而言漸速膛線身管優(yōu)于等齊的。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析方法分析了火炮身管采用等齊膛線、漸速膛線和混合膛線時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)差異,分析了對(duì)身管膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力、膛線約束下的彈丸軸向加速度、炮口繞身管軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角加速度的影響,結(jié)果表明等齊膛線有利于彈丸膛內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),有利于減小炮口振動(dòng)響應(yīng),但是并沒有考慮彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等;文獻(xiàn)[6]建立了彈丸身管耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型,分析了身管有無彎曲、不同彈丸質(zhì)量偏心等條件膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期彈丸前定心部與身管的碰撞過程,結(jié)果表明彈丸與身管碰撞是影響彈丸膛內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)的主要因素之一。孫玉杰等[7]采用光滑粒子單元與有限單元耦合方法研究了彈丸擠進(jìn)和膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。郭俊行等基于光滑粒子法研究了某大口徑火炮不同膛線方程時(shí)彈丸擠進(jìn)過程[8],研究了膛線形式對(duì)某大口徑火炮炮口振動(dòng)影響研究[9],研究了燒蝕磨損對(duì)某大口徑自行加榴炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響[10]。以上研究結(jié)果表明采用光滑粒子法與有限單元法耦合方法研究彈丸擠進(jìn)、膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)和彈炮耦合作用能夠兼顧計(jì)算效率和求解精度,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。故本文應(yīng)用該方法建立某大口徑火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型,研究反后坐裝置及定向栓布置對(duì)炮口振動(dòng)影響。

國外針對(duì)此類問題也開展了大量的研究,典型的火炮,如39倍身管的M777和非瞄準(zhǔn)線(NLOS-C)155 mm火炮,52～56倍身管的十字軍騎士155 mm火炮,58倍身管的M777和M109A8(ERCA)155 mm火炮系統(tǒng)的XM1299火炮,均采用了斜對(duì)角反后坐裝置布置結(jié)構(gòu)。

某大口徑自行炮要求質(zhì)量輕、精度高,需要對(duì)該炮火力系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)選,為總體方案設(shè)計(jì)提供理論參考。筆者采用有限元方法建立了某大口徑自行火炮的全炮模型,開展了某裝藥條件下4種不同的反后坐裝置及定向栓布置方案時(shí)的火炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析計(jì)算,分析了不同反后坐裝置和定向栓布置方案對(duì)全炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)(如炮口振動(dòng)、前套箍受力等)的影響,初步分析了反后坐裝置對(duì)稱及雙定向栓布置結(jié)構(gòu)對(duì)炮口振動(dòng)和全炮動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。

1 發(fā)射系統(tǒng)布置方案

為減小炮口振動(dòng)、改善射擊精度,初步選定了以下幾種反后坐裝置及定向栓布置方案,如圖1所示,依次記為方案1～4;計(jì)算時(shí)保證反后坐裝置出力相等,各個(gè)仿真工況均由改變有限元模型中的個(gè)別單元和邊界條件獲得。

2 火炮有限元模型

2.1 火炮結(jié)構(gòu)有限元模型

依據(jù)初方案的三維實(shí)體模型,簡化了對(duì)分析影響不大的圓角、小孔、螺紋等次要因素,采用板殼單元和四面體單元為主的網(wǎng)格劃分方法,建立了起落部分的有限元網(wǎng)格如圖2所示。

本文的分析工況選為某裝藥條件下以高低0°射角、方向0°射角發(fā)射榴彈。根據(jù)以往對(duì)大口徑、長身管火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)的研究,火炮振動(dòng)的主要因素包括彈炮耦合作用、布爾頓力等[7],一般在高低0°射角時(shí)身管的橫向振動(dòng)較大,盡管高低0°射角并不是常用射角,但是作為對(duì)比性研究取高低0°射角也有一定的參考價(jià)值。取炮口方向?yàn)閤軸正向,從炮尾看過去向左為y軸正向,向上為z軸正向,建立坐標(biāo)系,炮口點(diǎn)沿z軸方向的運(yùn)動(dòng)為高低方向位移,在y軸方向的運(yùn)動(dòng)為左右方向位移,繞z軸旋轉(zhuǎn)角度為左右方向角位移,繞y軸旋轉(zhuǎn)角度為高低方向角位移。

傳統(tǒng)電磁爐的工作方式，會(huì)使加熱出現(xiàn)間歇性，溫度不穩(wěn)也會(huì)讓美味功虧一簣。為了解決這個(gè)問題，米家電磁爐采用了雙頻火力加熱技術(shù)，高溫高頻實(shí)現(xiàn)爆炒火力，低溫低頻穩(wěn)定加熱，實(shí)現(xiàn)如灶火一般的烹飪體驗(yàn)。

建立了回轉(zhuǎn)部分模型如圖3所示,建立了包括火炮起落部分、回轉(zhuǎn)部分和底盤、輔助裝置等的全炮模型,如圖4所示。除底盤和輔助裝置采用剛體方法建模外,其余部分如身管、彈丸等均按照彈性體建模,彈帶部分采用光滑粒子單元建模[4-7]。

身管、彈丸部分的網(wǎng)格較細(xì),基本尺寸為10 mm,身管共劃分約50萬個(gè)單元,彈丸共劃分約10萬個(gè)單元,全部網(wǎng)格共計(jì)約100萬個(gè)單元。為了適應(yīng)求解器的重啟動(dòng)分析功能,采用減縮積分單元,主要的材料屬性及參數(shù)如表1所示。

表1 主要的材料屬性及參數(shù)[7]

2.2 火炮動(dòng)力學(xué)模型求解框架

有限元方法是一種數(shù)值計(jì)算方法,既能夠求解靜態(tài)問題也能求解動(dòng)態(tài)問題,已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,適合用來研究火炮發(fā)射過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。筆者以某自行火炮總體結(jié)構(gòu)技術(shù)方案探索為研究對(duì)象,用模型仿真的手段指導(dǎo)設(shè)計(jì),有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。建立模型時(shí)對(duì)實(shí)際問題的簡化及認(rèn)識(shí)很關(guān)鍵,尤其是邊界條件及加載方式等決定了模型仿真的結(jié)果是否可信,因此對(duì)該模型的部分研究細(xì)節(jié)進(jìn)行討論。根據(jù)火炮搖架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),建立左、右支臂耳軸孔內(nèi)表面與參考點(diǎn)處的耦合約束關(guān)系,釋放其上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、約束其他自由度;建立高平機(jī)孔內(nèi)表面與參考點(diǎn)處的耦合約束關(guān)系,在參考點(diǎn)和高平機(jī)掛點(diǎn)之間建立線性彈簧單元。搖架與后坐部分之間通過套箍支撐,同時(shí)有定向栓限制后坐部分的旋轉(zhuǎn),定義搖架前后銅套箍內(nèi)表面與身管圓柱部外表面、定向栓室表面和定向栓之間的接觸關(guān)系。

火炮在靜止?fàn)顟B(tài)下受重力作用產(chǎn)生自重變形,是發(fā)射時(shí)的初始幾何構(gòu)型,首先建立靜態(tài)分析步求解其變形和應(yīng)力,然后再建立動(dòng)態(tài)仿真分析步求解發(fā)射過程中的應(yīng)力和變形,用重啟動(dòng)分析來連接這兩個(gè)分析步。起落部分自重變形云圖如圖5所示,最大位移點(diǎn)處于炮口制退器上,最大變形位移達(dá)到5 mm。

根據(jù)反后坐裝置結(jié)構(gòu)原理[11],制退機(jī)力與后坐速度和制退機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)關(guān)系為

FΦ=f(ax)v2,

(1)

式中:FΦ為制退機(jī)力;ax為流液孔面積;f(ax)為流液孔面積的函數(shù);v為后坐速度。在膛內(nèi)時(shí)期一般ax為常數(shù),即制退機(jī)力是后坐速度平方的函數(shù),在有限元模型中可通過非線性阻尼單元模擬制退機(jī)的力學(xué)行為。

復(fù)進(jìn)機(jī)力隨后坐位移變化關(guān)系式為

(2)

式中:Ff為復(fù)進(jìn)機(jī)力;Ff0為復(fù)進(jìn)機(jī)初力;Ls為復(fù)進(jìn)機(jī)初容積相當(dāng)長度;s為后坐位移;n為氣體多變指數(shù)?？梢姀?fù)進(jìn)機(jī)力Ff為后坐位移s的函數(shù),在有限元模型中可通過非線性彈簧單元模擬復(fù)進(jìn)機(jī)的力學(xué)行為。膛內(nèi)期的制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)力學(xué)特性如圖6所示。

在火炮發(fā)射分析步中,因彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),定心部、彈帶和內(nèi)膛表面碰撞,定義前后定心部表面、彈帶和內(nèi)膛的接觸關(guān)系。作用在起落部分的主要載荷有重力、火藥燃?xì)鈮毫Φ?某裝藥條件的內(nèi)彈道壓力曲線如圖7所示,通過VDLOAD子程序?qū)?nèi)彈道壓力曲線進(jìn)行插值后施加到膛底、內(nèi)膛表面和彈底[9-10]。

建立動(dòng)態(tài)顯式分析步求解膛內(nèi)時(shí)期的變形和應(yīng)力,全炮應(yīng)力云圖如圖8所示。

3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

分析了某裝藥條件下以高低0°射角、方向0°射角、4種反后坐裝置及定向栓布置方案時(shí)全炮的響應(yīng),得到炮口左右和高低方向的線速度、左右和高低方向的角速度,如圖9所示。彈丸出膛口瞬間炮口振動(dòng)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 彈丸出膛口瞬間炮口振動(dòng)結(jié)果對(duì)比

從圖9中可知,采用雙定向栓布置方案時(shí)炮口左右方向振動(dòng)的線速度和角速度較小,說明針對(duì)該火炮,雙定向栓對(duì)稱布置能減小炮口振動(dòng)。采用雙定向栓和反后坐裝置對(duì)稱布置方案時(shí)的炮口振動(dòng)量(線速度214 mm/s、角速度0.282 rad/s)比其他方案要小。

以身管、炮尾、定向栓構(gòu)成的整體為研究對(duì)象,對(duì)兩種定向栓布局方案進(jìn)行受力分析,如圖10所示。

從炮口方向看,身管受到順時(shí)針方向的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩M,設(shè)定向栓距離炮膛軸線的距離為L,簡化為平面受力分析問題。當(dāng)采用單定向栓時(shí),后坐部分要保持受力平衡,由力矩平衡條件可知定向栓受到逆著y軸方向的力Fy:

(3)

此時(shí)身管若要保持平衡則必須受到沿著y軸方向的力FF,由力平衡條件可知:

(4)

由于身管和搖架之間留有間隙,在火炮發(fā)射時(shí)、間隙消除之前身管勢必有逆著y軸方向運(yùn)動(dòng)的趨勢,當(dāng)形成穩(wěn)定接觸后才能保持平衡。

當(dāng)采用雙定向栓時(shí),后坐部分要保持受力平衡,由力矩平衡條件可知兩個(gè)定向栓分別受到方向相反、大小相等的力,即

(5)

此時(shí)Fy1、Fy2形成力偶,與導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩相平衡,身管不會(huì)受到向左或向右的橫向作用力。

根據(jù)以上分析,當(dāng)采用單定向栓設(shè)計(jì)時(shí)身管有可能受到橫向力作用,而當(dāng)采用雙定向栓時(shí)則不會(huì)。由于橫向作用力有可能引起身管橫向振動(dòng),所以采用雙定向栓設(shè)計(jì)、減小橫向作用力是能夠減小身管橫向振動(dòng)的。

以后坐部分為分析對(duì)象,以反后坐裝置力為外力進(jìn)行受力分析,假設(shè)反后坐裝置的力總是沿著身管指向的,將其向炮膛軸線簡化后得到集中力和彎矩,若為對(duì)稱結(jié)構(gòu)則各分力的彎矩互相抵消,若不是對(duì)稱結(jié)構(gòu)則必然存在彎矩作用在后坐部分上。由于該彎矩也有可能引起身管橫向振動(dòng),故將反后坐裝置對(duì)稱布置后也能夠減小身管的橫向振動(dòng)。

以上分析說明,采用雙定向栓和對(duì)稱布置的雙制退雙復(fù)進(jìn)結(jié)構(gòu)布置方案較傳統(tǒng)的單定向栓、單制退單復(fù)進(jìn)布置方案有所改進(jìn),能夠顯著減小身管橫向振動(dòng)。根據(jù)以往對(duì)火炮射擊精度的研究,減小炮口在左右方向的振動(dòng)能夠減小彈丸的橫向散布,有利于實(shí)現(xiàn)橫向密集度指標(biāo),對(duì)火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。

仿真中得到了各工況時(shí)套箍力響應(yīng),如圖11所示。從圖11中可知,采用兩個(gè)定向栓時(shí),套箍左右方向力較小、高低方向力變化較平穩(wěn),說明針對(duì)該火炮雙定向栓對(duì)稱布置能改善套箍受力從而減小套箍磨損。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究,改善套箍受力能夠減輕套箍和反后坐裝置的磨損,能夠從一定程度上改善火炮射擊密集度,使得火炮在多次射擊后仍然能夠保持射擊精度。

4 結(jié)論

筆者建立了某大口徑自行炮全炮有限元模型,仿真了膛內(nèi)時(shí)期炮口點(diǎn)振動(dòng)和前套箍受力,分析了該自行炮反后坐裝置及定向栓布置對(duì)炮口振動(dòng)影響,得出以下結(jié)論:

1)采用雙定向栓布置方案時(shí)炮口振動(dòng)較小,說明針對(duì)該火炮雙定向栓對(duì)稱布置能減小炮口振動(dòng)、提高射擊精度。

2)采用兩個(gè)定向栓時(shí),套箍左右方向力較小、高低方向力變化較平穩(wěn),說明該火炮采用雙定向栓對(duì)稱布置還能改善套箍受力從而減小套箍、反后坐裝置磨損。

3)采用雙定向栓、反后坐裝置對(duì)稱布置方案時(shí),炮口振動(dòng)速度和角速度比其他方案要小,較傳統(tǒng)的單制退單復(fù)進(jìn)單定向栓布置方案有所改進(jìn),有利于提高射擊精度、實(shí)現(xiàn)密集度指標(biāo)。