轮式突击炮行进间射击炮口振动分析及稳定控制.pdf
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1、为了研究不同因素对炮口振动的影响规律,建立了轮式突击炮行进间射击多体动力学模型,并与试验结果对比验证了合理性。路面谱采用谐波叠加法建模,在不同路面条件和火线高情况下进行了仿真计算,获得了两种因素对行进间射击炮口振动的影响规律。构建了垂向稳定器模型,进行了联合仿真,对比了有、无稳定器两种情况下的炮口振动。结果表明:炮口振动幅值随路面粗糙度增大而增大;火线高对炮口振动的影响是非线性的;垂向稳定器能有效控制炮口振动,相较于无稳定器情况,开炮前炮口最大高低角和高低角速度幅值分别降低了 和 ,开炮后炮口最大高低角振动幅值降低了 。该研究对轮听语音聊科研与作者互动式突击炮的总体设计起到了一定理论支撑,具有
2、重要工程应用价值。关键词:炮口振动;多体动力学;路面谱;稳定控制;联合仿真中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文章编号:(),(,):,:;,:;轮式突击炮是一种满足高技术条件下局部战争需要的新型突击支援武器,代表了新型突击支援武器和反坦克武器装备的发展方向。它既能作为反坦克和反装甲车辆的主要力量,直接与坦克作战,又能为非装甲部队提供火力支援,提高部队的快速机动能力和火力打击能力。其重量轻、机动性好,成本低,对道路的依赖性小。在冷战后讲究快速部署的新战略环境中,轮式突击炮凭借其便宜、轻便、高速、便于后勤保障的特性得到了各国的重视,欧美国家都研制并正式装备了轮式突击武器,如美
3、国“斯特莱克”、法国 等,并在几次局部战争中发挥了突出作用。我国也研制了 、等型号的轮式突击炮,并已经装备部队。利用作战仿真方法建立轮式突击炮的作战模型,在仿真结果的基础上评价研制开发中轮式突击炮的作战效能是一种行之有效的方法 。对于各类自行武器系统,行进间射击时的炮口振动是重要的性能指标,轮式突击炮更是如此。行进间射击与停车时射击的最大区别是需要同时考虑收稿日期:基金项目:国家部委基金资助项目作者简介:葛建立(),男,河南商丘人,教授,博士,硕士生导师,:;邓远泊(通信作者),男,河南洛阳人,硕士研究生,:第 期葛建立,等:轮式突击炮行进间射击炮口振动分析及稳定控制火炮射击载荷和路面激励对系
4、统振动与受力的影响 ,在轮式突击炮行进过程中,由于受到地面不平度的激励,车体在方位和高低向的姿态变化会对炮口指向造成影响 ,进而影响射击精度。谢润等 模拟了自行火炮在 、两种典型路面条件下行驶并射击的炮口振动特性,进行了履带式火炮与地面耦合的行进间射击仿真。更多研究针对火炮静止射击时的炮口振动进行分析和优化,例如:林圣业等 基于键合空间理论,建立 梁弯曲振动动力学模型,利用其固有频率特性分析炮口振动;刘国强等 使用混沌量子粒子群算法对身管进行多目标优化以减小身管质量与炮口振动。另外,一些研究从控制方面着手,通过新的控制方法改善火炮的炮口振动情况,如:陈宇等 建立了垂向稳定器模型,并与坦克动力学
5、模型耦合进行联合仿真;等 建立了包含双向稳定系统的坦克行进间稳定控制模型,并进一步提出了一种基于坦克火炮双向稳定控制状态空间模型的自适应鲁棒反馈控制方法 。目前已有的研究大部分是针对火炮静止射击时的炮口振动进行研究,或是针对控制系统进行行进间分析,且研究对象大多是履带式车辆,而对于轮式突击炮行进间射击炮口振动的研究在公开文献中少有报道,轮式突击炮行进间射击稳定性比履带式火炮更有挑战性。基于此,本文利用谐波叠加法分别建立了 、级路面的路面谱模型,并与轮式突击炮多体动力学模型相结合,建立了轮式突击炮行进间射击炮口振动仿真模型,在不同路面条件和不同火线高下模拟和分析了轮式突击炮行进间射击炮口振动;建
6、立了垂向稳定器模型,进行联合仿真,分析了其对炮口振动的改善作用。路面谱模型 基于谐波叠加法的路面激励模型车辆行驶时的振动主要来自随机路面不平度的激励,可采用路面功率谱密度描述其统计特性 。谐波叠加法用离散谱逼近目标随机过程的随机模型,具有良好的适应性和精度,适用于模拟随机路面。路面的功率谱密度()为 :()()()()其中:为空间频率;为参考空间频率;()为参考空间频率 下的路面谱值;为车辆行驶速度;为双对数坐标上斜线的斜率,称为频率指数。将 ()划分为 个区间,用每个区间的中心频率(,)处的谱密度值()代替()在整个区间内的值,可以在时间域内用三角级数模拟随机路面不平度 ():()槡 ()(
7、)式中:为 ,中的随机数;为某速度下的时间历程;()槡。将式()转换为空间域内谐波叠加式:()槡 ()()式中:为 ,中的随机数;为路面在 方向上的位移。路面谱文件采用数学软件工具,通过编写程序得到 、级路面不平度,将程序生成的路面节点每相邻个连接生成单元,分别得到 、级路面谱文件,并将其导入动力学模型中,与轮式突击炮模型相配合进行仿真计算。以 级路面为例,生成的路面谱如图 所示。图 级路面谱 轮式突击炮多体动力学模型 多体系统动力学模型行进间多体系统动力学模型 为:()式中:、分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵;为位移矢量;为轮式突击炮行驶在路面上时的输入位移。经傅里叶变换可得传递函数矩阵:(
8、)()()()式中,为圆频率。()表示第 个输出的傅里叶变换与第 个输入的傅里叶变换之比,即:()()()()()()求得系统的传递函数之后,可根据激励的功率国 防 科 技 大 学 学 报第 卷谱求响应的谱密度。假设系统的激励功率密度为:()()()()()则系统的响应谱密度为:()式中:与 为共轭矩阵。某个响应分量的均方值为:()()轮胎模型亚利桑那大学(,)轮胎模型是由亚利桑那大学的 博士等 建立的充气轮胎动力学模型,将轮胎简化为一系列三维弹簧,考虑了非稳态效果,通过摩擦圆考虑了侧偏和纵滑的相互影响,也考虑了外倾和松弛长度,在所需参数较少的情况下具有较好的精度。轮胎模型假定摩擦系数随滑移率
9、的变化发生线性变化,根据轮胎在路面的运动状态随滑移率的变化而发生滚动和滑动变化,其受力如图 所示。图 轮胎受力示意图 假设轮胎所受的纵向力和横向力分别为 和,垂直载荷为;轮胎的纵向与横向滑移刚度分别为 和;轮胎的纵向与横向滑移率分别为 和。求解得到临界纵向滑移率 为:()式中,为摩擦系数。临界侧向滑移率 为:槡()定义无量纲滑移率 为:()()槡 ()无量纲轮胎与路面接触区长度 为:()根据式()和式()定义的临界滑移率,模型给出的纵向力、侧向力的关系式如下 :)当 且 时,轮胎发生弹性变形,接地区域内同时存在附着区和滑动区:()()()()当 、时,轮胎发生非弹性变形,处于完全滑移状态:()
10、()式中 与 与摩擦系数 的关系为:()()弹炮耦合行进间射击动力学模型根据轮式突击炮的结构关系和射击过程中的受力情况,建立轮式突击炮的结构多体动力学仿真模型。身管、托架、炮塔作为柔性体,其余部件作为刚性体。建立身管和前后衬瓦、耳轴与轴承之间的接触 。将轮式突击炮各部件间根据实际接触情况进行相应约束,并给轮胎施加转速,给火炮施加炮膛合力、制退机力和复进机力,车体悬挂与高低机采用弹簧模拟。弹丸与身管之间定义接触关系。将前文所述的路面谱文件导入模型中,轮式突击炮的轮胎和地面的约束关系为接触。行进间射击炮口振动仿真模型如图 所示。图 行进间射击模型 射击试验验证对轮式突击炮模型进行了试验验证。试验条
11、件:静止射击,高低射角、方向角,实弹射击。在对应位置安装传感器以测得静止射击时的车体上、下振动和后坐长等数据,其中车体跳动测试传第 期葛建立,等:轮式突击炮行进间射击炮口振动分析及稳定控制感器安装位置如图 所示。相同工况下的试验结果与仿真结果对比如表 所示。建立了如图 所示的轮式突击炮发射的有限元模型,将其计算结果加入对比。从结果对比可以看出,多体仿真结果与试验结果吻合较好,最大误差为 ;多体模型与有限元模型的计算精度相差较小,但有限元模型计算需要更多计算资源和大量的计算时间,相同工况下多体动力学模型耗时 ,而有限元模型耗时 。可见所建多体动力学模型在保证计算精度的基础上,相较于有限元模型计算
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