基于前冲击发原理的某车载迫击炮仿真研究
2022-07-31
来源:年旅网
第35卷第8期 文章编号:1006—9348(2018)08—0001—05 计算机仿真 2018年8月 基于 前冲 击发原理的某车载迫击炮仿真研究 方 宇,秦俊奇,狄长春,周默涵 (军械工程学院,河北石家庄050003) 摘要:为研究采用前冲击发原理的某型车载迫击炮射击时的动力学特性,根据前冲击发武器的工作原理和特点,综合运用 ADAMS中的函数以及传感器功能,在模型中实现了前冲击发时炮膛合力的施加。基于多体系统动力学和车辆地面动力学, 建立了考虑车辆悬挂系统以及轮胎一路面特性的车载迫击炮虚拟样机模型。通过仿真结果与实验数据的比较,验证了模型 的准确性。在模型的基础上,对车载迫击炮炮口位置的动态响应受轮胎刚度、悬挂系统参数的影响规律进行分析。结果表 明,轮胎刚度越小,炮口振动的幅值越大;适当减小底盘悬挂系统刚度,提高阻尼系数,可以加快击发后炮口的复位速度。计 算结果可以为研究该型装备的发射动力学特性和射击稳定性提供参考依据,对相关车载武器设计研究有一定参考意义。其 炮膛合力的施加方法具有通用性,对于采用前冲击发的武器均适用。 关键词:前冲击发;车载追击炮;悬挂系统;虚拟样机 中图分类号:TJ306 文献标识码:B Study on the Simulation of a Vehicle Mortar Based on the Principle of Front Impact FANG Yu,QIN Jun—qi,DI Chang—chun,ZHOU Mo—han (Ordnance Engineeirng College,Shijiazhuang Hebei 050003,China) ABSTRACT:In order tO study the dynamic characteristics of a certain type of vehicle mortars using the front impact principle,according to the working principle and characteristics of the front impact weapon,the function of the AD— AMS and the function of the sensor were used synthetically,and the resultant force of the gun chamber was applied in the mode1.Based on the dynamics of multi~body system and vehicle ground dynamics,a vituarl prototype model of vehicle mortars considering vehicle suspension system and tire pavement characteristics was established.The accura- cy of the model was veriied by comparifng the simulation results with the experimental data.On the basis of the mod· el,the dynamic response of vehicle mortars muzzle position WaS analyzed with the influence of tire stifness and SUS· pension system parameters.The resuhs show that the smaller the tire stiffness is,the lrger athe amplitude of the muz— zle vibration is.The proper reduction of the stiffness of the suspension system and the increase of the damping eoefif— cient can speed up the reposition speed of the muzzle after the fiirng.The calculation results can provide reference for the study of the launching dynamic characteristics and shooting stability of the equipment,and it has some reference signiifcance for the design and research of related vehicle weapons. KEYWORDS:Front impact;Vehicle mounted mortar;Suspension system;Vitualr prototype 等性能的现代迫击炮。其中,新型车载迫击炮成为传统迫击 l 引言 迫击炮作为传统的步兵武器,因其重量轻、可靠性好等 特点而受到各国军队的普遍重视。然而随着战争形态的变 炮的发展方向之一。 在新型迫击炮的研制过程中,最大的问题是解决武器威 力、弹丸初速、武器机动性以及后坐力之间的矛盾。如果采 用前冲击发原理(又称软后坐原理) J,可以使后坐动能大 幅度降低,在后坐行程相同的情况下平均后坐阻力减小为不 浮动时的四分之一,达到武器轻量化,提高射击稳定性及综 化,传统迫击炮的机动性以及自动化水平已经不能满足当前 战争的需要,迫切需要发展一些具有机动性高、反应能力强 收稿日期:2017—04—11修回日期:2017—05—15 合性能指标 J。前冲击发原理是应用火炮运动部件在前冲 一1一 过程中击发从而减小后坐力的专项技术,其应用于迫击炮成 功的典型案例如前苏联“矢车菊”自动迫击炮,以及我国在此 基础上改进的速射追击炮。由于前冲击发原理在迫击炮上 应用的起步较晚,相关研究并不多。杨军荣 对炮闩浮动式 的,因此发射时,炮闩不与身管相联锁,主要靠本身的惯性 力、复进簧力和炮闩上的附加阻力起闭锁炮膛的作用。在炮 闩复进过程中,到指定击发位置时,击针撞击底火击发弹丸。 击发后,作用于炮闩前端面的火药气体压力首先抵消炮闩复 进的动能,当火药气体的推力大于炮闩后坐阻力时,炮闩开 自动机构的工作时动态特性进行了研究鸡B欣明 采用施加 等效弹性力的方法模拟轮胎与路面的接触,对车载迫击炮进 行建模。这种简化方法比较粗糙,不能准确反应轮胎一路面 系统的动力学特性。 始后坐,并压缩复进簧储存能量,准备下一发的复进与击发。 因此,要施加相应的连发射击炮膛合力,需要判断炮闩 运动的位置,当判断炮闩向前复进情况下,到达击发位置时, 本文的研究对象为采用前冲击发原理的车载迫击炮。 该追击炮采用炮闩浮动的前冲击发技术,射击时没有刚性支 即触发炮膛合力曲线,作用在炮闩上,方向沿炮闩轴线向后, 进行一次击发。 撑,车身通过悬挂系统和轮胎与地面弹性连接。本文基于车 辆地面动力学原理,借助动力学软件ADAMS、有限元软件 ABAQUS建立了考虑轮胎一路面特性的车载迫击炮刚柔耦 合虚拟样机模型。运用ADAMS中的函数以及传感器功能, 在模型中实现了前冲击发时炮膛合力的施加。通过实验数 据验证了模型的准确性。基于虚拟样机模型,对该型迫击炮 射击时的动力学特性进行了数值模拟,给出了炮口振动随轮 胎参数、悬挂系统参数的变化规律,对相关车载武器设计研 究有一定参考意义。 2车载迫击炮虚拟样机模型 2.1 车载追击炮模型拓扑结构 该型迫击炮模型主要由行走部分、火力部分、和路面部 分构成。其中,行走部分具有悬挂系统,通过轮胎与路面接 触。根据火炮实际射击的物理过程作如下假设车载追击炮 在水平地面上处于停车状态,车轮制动,悬挂不闭锁。模型 的拓扑结构如图1所示,其中,h,、 ,、h 、h。分别表示转动副、 固定副、接触和其它连接关系。 J带炮身的自动机I 一 车身 垂fh f h 西fh f h 地面 图1车载迫击炮模型拓扑结构 2.2前冲击发时炮膛合力建模 该车载迫击炮自动机采用的是浮动式自由炮闩前冲击 发技术。其工作原理是迫击炮的炮身与炮箱刚性连接,炮闩 在炮箱中作后坐和复进运动,并带动自动机其它构件工作。 自动机的击发动作是在炮闩输弹人膛后的复进过程中进行 一2一 首先由相关内弹道参数,导人膛底压力随时间变化的曲 线,如图2。在ADAMS中命名该样条曲线为SPLINE一1。 图2炮膛合力的样条曲线 在身管、炮闩上建立MARKER_l、MARKER一2两个点, 使两个点分别位于身管炮口圆心和炮闩前端面中心上。建 立点到点的测量MEA—PT2PT,测量炮闩的前端面中心点与 炮口圆心的距离,即用来判断炮闩的位置。然后利用传感器 (SENSOR)和IF函数即可监测迫击炮击发的时刻。建立传 感器SENSOR一1,其表达式如下 IF(.JEEP.PaoShuan—MEA一2:99,99,.JEEP.MEA—m r一 3020) 最后,施加炮膛合力Ppt表达式如下 IF(SENVAL(SENSOR一1):0,0,1) 6E3 IF(TIME—SEN— VAL(SENSOR一1)一0.02:一AKISPL(TIME—SENVAL(SEN— SOR一1),0,SPLINE一1,0),0,0) IF(TIME一0.5:1,1,0), 式中,IF(SENVAL(SENSOR一1):0,0,1)为附加因子,该函数 用来避免在仿真开始时就施加炮膛合力 j。该表达式即 实现了前冲定点击发时,炮膛合力的施加。 2.3车辆悬挂系统模型 由于车载炮系统射击时,车身通过悬挂系统和轮胎与地 面弹性连接,发射时的激励相当于作用在弹性系统上,使得 车辆本身发生振动。由此可见,为了得到更加准确的动态响 应结果,必须对其悬挂系统的进行建模。 本文研究的车载速射迫击炮的车辆底盘为改装的东风 猛士EQ2050A型底盘,该型底盘的前后悬挂均为双横臂式 独立恳挂 m_j 祭 悬挂系统模 是一个比较复杂的机械 系统,为精烁模型. 突出模型 } 所研究的动力学特性,将该 模型假设 F:1) 体通过四个双横臂式独立悬托、四个轮 胎与地面接触横臂等在运动过程中肜变很小,nJ‘以忽略小 (MNF艾仲) 入ADAMS t}『.通过榴合节点与摇架、炮门连 接、 4 吁管低阶典型振型 计.认为是刚体 2)悬挂系统rfJ.弹簧阻尼元件均考虑为线 元件,认为 I_ 作往正常受力大小范围内。3)不芬虑各个 运动副的内哮擦。 基于ADAMS软件,根据双横臂式独立悬挂布 方案,最 终建赢的 被速射迫击炮悬挂系统的虚拟样机模 如 3 所示 图3车载迫击炮悬挂系统模型 2.4 UA轮胎模型 轮胎足1 载迫山炮行走部分 要的部件,它的 卡勾参数 和力学特 决定着车载炮的主要行驶性能。轮胎所受的 力、纵向力、fJ『!lj向力和回正力 对乍裁炮的操纵稳定性干¨ 射击稳定性起匝要作用 根据实际的武 系统车辆模 ,利 川ADAMS/ Fil·P组什,建立车载炮的uA轮胎模型.陔模} 芎虑了非稳念效果,通过摩擦劂芬虑了侧偏和纵滑的卡Ij 影 响,也考虑J 外倾和松弛长度, 需要有限几个参数的情 况 ,有 1F常好的精度,是目前使川较多的模型。 表1 UA轮胎模型参数 m于uA轮胎模型是点接触模_IIl』,只能用于平路 (路 面起伏的波K必须大于轮胎的删长)。 而本文研究乍载迫击 炮 水平路 【 的停止间发射过程,故JrJ『以使用i发轮胎模 :根据该1l实际轮胎标准参数,本义所采用UA轮胎模型 如表1所永 2.5柔性身管模型 为了得到更加准确的动态响应结果,将身管模型简化为 柔体。使刚钉限兀软件ABAQUS建 年载迫击炮模型之前 首先对迫击地模 进行简化处 ,将得到的模态【11 H-:文件 图4身管低阶典型振型 2.6建立虚拟样机模型 ’先甜迫击炮模 进什简化处师.把对仿 纳 影响小 的质量等效到乍体击发[IIf的激励使用前文所述的传感器 以及 数 施加前冲击发的炮膛合力 射击过 t{1.底盘 处于制动状忿.认为轮胎不转动 为了减小汁"‘} ,埘于刚 度较大儿 彤较小的部件 If作’工Jlq4性对待;对J 运动 受力 没有影响的部件进行等效质lI}f1l转动惯量处 路 采JH ADAMS rI咱 维平直路函 木史建卡;l {1将车身视 川一 体进仃分析,破终甜划的 载迫击炮 拟样机模型如 所,J;,十jl 共仃47个『l…度,也 41个川性 件、1个柔一 那什、4个轮胎,22个旋转剐、22 个 定剐、1个平移副 图5 车载迫击炮虚拟样机模型 3仿真计算与结果分析 3.1模型验证 摹j 以 谴 的懂拟样机帧 . 有对其进仃准确度的 校核与验 (、㈠‘iifcation&vali ̄latio ̄1)./j 能确从使 具有fl『 信度, 此 础』 进f 的炮【】功念响心特 仿f 分析才 研 究价值 j 际意义对于复杂系统仿真馍 验 方法的研 究已较为深入,最血接有效的佼核厅式是将系统动力学响应 的仿真2 与 际测试结果逊仃对比,川结果n0·毁性对模 型 ̄.0-ff 喽lfII准确度做 价 一3一 将该车载迫击炮模型置于平直路面上,各轮均处于制动 状态,身管处于初始位置,即高低角l2。、方位角0。。对模型 进行静平衡分析,从静平衡处开始仿真,0.2 S后加载炮膛合 力,模拟车载炮在静止状态下的射击过程。 由于炮闩是该迫击炮实施发射动作的驱动部件以及最 先承受炮膛合力激励的关键部件,准确地模拟其运动规律对 从对比结果可以看出,建立的模型计算数据与实际试验 数据基本吻合,其误差均在工程允许的范围以内。表明对于 车载迫击炮发射过程中的动态特性进行研究方面,此模型具 有一定的准确性与合理性,该模型验证也表明最后的仿真计 算结果有一定的可信性。 3.2轮胎刚度对炮口振动的影响 于研究整体车载炮系统发射动力学响应来说至关重要,故需 要针对炮闩的运动特性进行验证。提取车载炮射击时炮闩 车载迫击炮在射击时,全炮只有轮胎着地,因此该炮是 在一个弹性平台上射击。射击时火炮由于受力作用而发生 位移,产生“跳动”,出现射击稳定性问题,影响射击精度及下 一的复进行程(含前冲量)X 、最大后坐速度v 、最大复进速 度v 耐,连发射速13,与炮口位置的高低线位移△y、前后线位 次射击时的火炮姿态。而在车身与地面的弹性连接中,轮 移△z,分别与对应的试验数据进行对比如表2所示。 表2射击主要参数的计算值与实验数据对比 其中,针对连发射击时炮闩的运动特性变化规律,仿真 计算曲线和实际测量曲线的比较如图6~7所示。 图6炮闩速度测量值与仿真值的比较 图7炮闩位移测量值与仿真值的比较 ——4—— 胎是一个重要的弹性部件,现利用该虚拟样机模型,研究车 载迫击炮轮胎刚度对射击时炮口振动特性的影响。 同样将该车载迫击炮模型置于平直路面上,车轮处于制 动状态,身管处于初始位置,即高低角12。、方位角0。。对不 同轮胎参数影响的炮口振动规律进行仿真,结果如图8 所示。 图8不同轮胎刚度对炮口高低线位移的影响 从图8中可以看出,不同轮胎刚度对于炮口高低线位移 的振动幅度影响较大。在其它参数不变的情况下,轮胎刚度 越小,炮口振动幅值越大。这一点比较容易理解,由于轮胎 的刚度变大,在同样的激励下,其弹性变形更小,车载迫击炮 的发射平台越接近于刚性平台。由于轮胎刚度一定程度上 可以由轮胎的气压来调节,是在不改变结构参数的情况下, 可以变化的量。所以在考虑解决该迫击炮炮口振动幅值较 大的问题时,可以适当增加轮胎刚度,以提高该炮的射击稳 定性。 3.3悬挂系统参数对炮口振动的影响 悬挂系统是连接于车身和轮胎之间的弹性系统,射击时 同样对整车动态特性影响较大。现在轮胎刚度一定的情况 下,研究车辆悬挂系统参数对车载炮射击时炮口振动特性的 影响。 基于该车载炮模型,对不同悬挂系统刚度以及阻尼系数 影响射击时炮口振动特性的规律进行仿真分析,结果如图9 —10所示。 4结论 1)对车载迫击炮进行了动力学建模。根据前冲击发武 器的工作原理和特点,实现了迫击炮前冲击发时炮膛合力的 准确施加。基于多体系统动力学和车辆地面动力学,建立了 考虑轮胎一路面特性的车载迫击炮刚柔耦合虚拟样机模型。 通过对比该虚拟样机模型仿真计算结果与实际测量结果,验 证了模型的准确性。 2)由于该载迫击炮是在一个弹性平台上射击,其发射时 的炮口高低线位移较大。适当提高轮胎的刚度可以减小炮 口的高低位移变化量,提高射击稳定性。 3)适当减小悬挂系统刚度,提高悬挂系统阻尼系数,可 图9不同悬架阻尼对炮口高低线位移的影响 以提高悬挂系统对冲击动能的吸收能力,加快弹丸击发之后 炮口的复位速度。 4)今后的研究可以从高低机参数等对于该车载迫击炮 的射击时动态响应的耦合影响着手,进一步探讨减小车载武 器炮口振动的优化方法和技术途径。 参考文献: [1]杨军荣.基于软后坐技术的某自动追击炮动力学分析[J].弹 道学报,2006,18(1):63—67. 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[8] 化斌斌,王瑞林,王宇建,孙也尊,李心强.转管机枪枪膛合力 在虚拟样机中的施加方法研究[J].火炮发射与控制学报. 2015.36(4):9—12. 对于悬挂系统刚度系数而言,从图中曲线的趋势可以看 出:在射击结束前,即从0s到1.6s的时间内,不同刚度悬挂 的炮口振动幅度几乎没有差别;而在射击结束之后,小刚度 悬挂系统表现出释放弹性势能较慢的优点,导致炮口高低线 位移的变化较缓慢,并且在阻尼的作用下渐趋平稳。另外, 悬挂系统刚度越大,导致轮胎、高低机等处的形变会增加,也 导致射击后炮口恢复初始射击位置的速度较慢。 [作者简介] 方字(1994一),男(汉族),安徽巢湖人,硕士研 究生,主要研究领域为武器系统仿真与信息化 技术。 秦俊奇(1962一),男(汉族),山西省太原人,教授, 博士研究生导师,主要研究领域为武器系统仿真与 信息化技术。 综合来看,适当减小悬挂系统刚度,提高悬挂系统阻尼 系数,可以提高悬挂系统对冲击动能的吸收能力,从而一定 程度上抑制在射击结束之后的炮口振动,加快炮口回到静平 衡位置的速度。 狄长春(1971一),男(汉族),江苏人,副教授,硕士研究生导师,主 要研究方向为装备模拟与仿真技术。 周默涵(1993一),男(汉族),江苏常州人,硕士研究生,主要研究领 域为武器系统仿真。 5一 一