火炮振动与控制研究现状

火炮振动与控制研究现状

毛亚康, 王晓江,谢超 ,仝波 ,李元林

中国人民解放军69236部队  新疆沙湾县  832106

摘要：火炮振动与控制在新型火炮设计和现有火炮改型设计的各个环节中占有重要地位，引起各国的普遍重视。因火炮振动涉及到多种物理场的耦合，且非线性、瞬态性强，其研究具有相当的难度。各国火炮科研人员在该领域进行了大量的理论和试验研究。近年来火炮振动与控制的研究进展主要集中在弹炮耦合和火炮振动与系统优化，下文将对其展开阐述。

关键词：火炮振动；控制；研究；现状

1火炮振动与控制研究现状

1.1弹炮耦合

弹炮耦合研究身管在火药气体和弹丸碰撞联合激励下的炮口振动及弹丸起始扰动，炮口振动的控制有助于提高射击精度。通过研究膛线、坡膛、身管弯曲等身管结构特征，弹丸质量偏心、弹带等弹丸结构特征，弹炮间隙、摩擦特性等配合关系对炮口振动的影响，指导身管和弹丸关键特征参数的优化设计，提升射击精度。面对精确火力打击的作战需求，弹炮耦合对研究炮射制导弹药与发射环境的适应性具有重要理论意义。弹炮耦合接触/碰撞有限元建模理论与方法已趋于成熟，如将双线性本构模型等用于弹带材料建模。火药燃气压力作用于身管内壁并随弹丸运动而变化的荷载条件建模方法，解决了以往燃气压力径向效应加载不准甚至无法加载的问题，获得了轴向不同位置热冲击载荷差异性引起的轴向非均匀温度分布及轴向温度梯度。弹丸挤进身管内膛仿真有效模拟了弹带材料的挤压变形、刻槽过程、挤进阻力和挤进速度，对火炮挤进压力的假设进行了修正。有研究人员建立了挤进系统的流固耦合计算模型，通过火炮发射试验进行了验证，并进行了挤进系统优化设计。进一步建立了考虑真实挤进速度的两相流内弹道与弹炮相互作用有限元耦合模型，探索了能量转化过程，为提高能源效率进行了优化。将火药燃烧、弹丸挤进与弹丸膛内运动过程耦合起来的建模理论与方法对于弹‑炮‑药一体化设计与优化具有重要理论意义。弹炮耦合有限元建模方法虽然与弹丸膛内运动的实际过程比较接近，但是由于膛线身管结构的特殊性，有限元模型无法精确描述其几何特征，如大口径火炮膛线深度约为3mm，宽度约为4mm，而身管内径达155mm，长度约为8000mm，膛线与身管尺度不同。精确的几何表述是弹丸与身管打滑移动接触问题的基础和关键。膛线身管和弹丸的非均匀有理B样条建模及等几何接触分析为解决这类问题提供了一种新思路。NURBS与拉格朗日有限元耦合的三维混合单元建模方法既能借鉴有限元法成熟的理论和程序，又充分利用了NURBS单元的高精度特点，对于计算精度要求高或是几何形状复杂的膛线、弹带等结构能够发挥较好的作用。

1.2火炮振动与系统优化

火炮发射时高温、高压气体作用于炮身，使后坐部分在反后坐装置作用下产生大位移运动，炮膛合力通过反后坐装置缓冲后传递至摇架，然后通过摇架耳轴和高低机传递至上架/炮塔，再通过座圈传递至下架和大架，车载炮和自行火炮则传递至卡车或装甲车底盘，最后作用到地面上。由于炮膛合力产生的翻转力矩会使整个火炮有跳起趋势，系统具有一定的刚度和阻尼特性则会阻止火炮跳起，从而产生振动。近年来，多体系统动力学、有限元等成为火炮振动研究的主要理论和方法。传统的火炮多体系统动力学模型常常将火炮简化为炮身、摇架、上架、下架和大架等少数几个刚体，炮身相对于摇架的运动采用滑移铰模拟，摇架相对于上架的转动在耳轴处建立旋转铰，上架相对于下架的回转同样采用旋转铰模拟，下架和大架多采用固定铰连接。炮膛合力、复进机力、制退机力及平衡机力等通过子程序嵌入到火炮多体动力学模型中，高低机和方向机采用扭簧模拟。火炮的多刚体模型自由度少，只有几个或者几十个自由度，刚体间的连接关系简单，可以通过自编程序或者商业软件实现，模型的求解速度快。随着计算机技术、数值计算方法的发展和火炮振动研究的深入开展，身管、摇架、上架，甚至大架或者底盘的柔性被考虑进模型。滑移铰和旋转铰不能考虑部件形状和配合间隙对火炮振动的影响，接触模型开始用于替代滑移铰和旋转铰，除了能很好地模拟配合间隙外，还能得到接触力和接触应力，这为火炮关键配合部件的设计提供了理论依据。耳轴和座圈是火炮发射载荷传递的重要环节，传统的建模方式是采用等效旋转铰模拟。含间隙旋转铰的火炮耳轴‑轴承接触碰撞动力学模型可以更有效地用于研究耳轴‑轴承配合间隙对火炮振动的影响；火炮回转支撑滚珠与内、外滚道的接触碰撞模型能够模拟滚珠、滚道形状及配合间隙对火炮振动特性的影响。火炮振动的系统优化模型主要以各部件质量、质心、后坐部分偏心距、反后坐装置参数、火线高、前后衬瓦间距、高低机的刚度和阻尼、驻锄尺寸等作为设计变量，以炮口振动、弹丸起始扰动、射击稳定性等表征指标作为目标函数。但是在同一个模型中对火炮结构总体参数和关键部件的结构参数进行优化具有很大的难度。有研究人员提出了一种基于径向基函数神经网络自适应代理模型的火炮多柔体系统参数优化方法，解决了火炮总体结构参数优化和关键零部件结构参数优化相互割裂的现状，形成了大口径火炮一体化优化设计方法。近年来，基于有限元模型的火炮总体参数动态优化也已渐渐成熟。此法通常以代理模型为基础，结合遗传优化算法、神经网络学习方法等实现，开展了各种火炮振动的多目标优化设计研究。坦克或自行火炮行进间射击增加了火炮振动与控制的研究难度，与停车时射击的最大区别是需要同时考虑火炮射击载荷和路面激励对系统振动与受力的影响。行进间射击火炮振动涉及到多体系统动力学、火炮发射振动、车辆行驶动力学及数值计算等多个学科。目前，国内外针对行进间射击技术的研究主要是围绕路面‑底盘‑火炮系统一体化模型，探讨在不同路面激励、不同车速下履带或轮式底盘与火炮系统耦合振动的规律，特别是炮口振动规律与现代控制策略。美国陆军装甲兵工程委员会很早就对各种装甲战斗车辆行进间探测、打击静止或运动目标的性能进行了评估与论证。在坦克和自行火炮行进间路面‑底盘‑火炮系统动力学模型中，考虑路面激励和后坐载荷的共同作用，将坦克车体的振动与火炮在稳定器作用下的运动有机结合起来，分析车体振动对火炮运动的影响；建立了考虑多个结构非线性因素的坦克行进间刚柔耦合多体系统动力学模型，对坦克行进间射击炮口振动进行多目标优化设计，研究了高速机动条件下坦克行进间火炮非线性振动及稳定性对炮口振动的影响。一些研究人员提出了一种坦克火炮稳定系统约束跟随控制方法，建立了包含双向稳定系统的坦克行进间动对动稳定控制模型；还有一些研究人员进一步，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，并建立了一种含方位向电机和俯仰向电动缸的坦克行进间对动稳定控制联合仿真模型，为提高火炮行进间射击精度提供了保障。炮口吸振器也是一种有效减小炮口振动的方法，但是减振器的安装和固定需考虑炮口冲击波的影响。这些工作促进了火炮行进间射击时的振动控制，为火炮结构设计和控制系统设计提供了理论参考。

2结束语

我国在20世纪80年代正式立项火炮振动与控制的专题研究，随后获得了快速发展。历次国内的弹道学术会议一般都设置火炮振动与控制研究专题，在理论分析、数值计算及检验测试方面取得了十分显著的成果。本文从弹炮耦合和火炮振动与系统优化等方面对近年来取得的成果进行了总结和分类讨论。

参考文献

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[2]丁树奎，王良明，杨志伟，丁旭冉.远程火炮弹丸起始扰动的动力学特性[J].兵工学报，2021，42(4):673-683.