遥控武器站总体结构参数优化研究

毛保全，徐 礼，吴永亮，戴东明

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072)

遥控武器站是一种可安装在主战装甲平台上的相对独立的模块化武器系统［1］，射手通过遥控操作的方式，实现对目标的搜索、识别、跟踪、瞄准和射击等功能［2］。起始扰动是影响遥控武器站射击精度的重要因素［3］，为减小起始扰动，某遥控武器站采用了柔性托架结构，并在摇架前端安装了一个具有一定刚度的支撑架以限制身管的振动。射击时，主要部件的质量和刚度、部件之间的配合间隙、动力偶臂、支撑架支撑点位置及与身管的配合间隙、左右耳轴的安装位置和缓冲簧的刚度阻尼等结构参数对起始扰动产生重要影响。笔者基于某遥控武器站，运用ADAMS和ANSYS软件的二次开发语言编写了求解炮口振动的程序，分析了总体结构参数对起始扰动的影响，并利用多学科集成优化平台Model-Center，采用遗传算法对某遥控武器站总体结构参数进行了优化，获得了在满足一定战术技术指标下具有较小炮口起始扰动的总体结构方案，为提高某遥控武器站射击精度提供了切实可靠的技术途径。

1 遥控武器站系统动力学建模

为分析支撑架、耳轴轴承和托架等部件结构参数对炮口起始扰动的影响，需要建立参数化实体模型和有限元模型，并通过集成优化软件ModelCenter与发射动力学模型集成。通过改变相关参数，可以调整支撑架支撑点位置、与身管之间的间隙、质量、等效刚度和阻尼，耳轴安装位置以及耳轴轴承间隙，托架的质量、等效刚度和阻尼等属性。

1.1 遥控武器站三维实体模型

遥控武器站三维实体模型在Pro/E中建立，支撑架支撑点位置以及与身管的间隙、耳轴轴承间隙等尺寸参数可利用Pro/E的参数化建模功能构建。支撑架支撑点位置通过改变支撑架长度来实现;支撑架与身管之间的间隙大小通过调整支撑架的支撑孔直径来实现;轴承间隙和安装位置通过改变轴承内圈的直径及质心点在动力学模型中的坐标来实现。

ModelCenter提供了专门的Pro/E组件封装插件，在Pro/E模型的基础上可以方便快捷地提取模型中的参数并建立遥控武器站Pro/E模型组件，其运行结果为动力学仿真组件提供CAD模型文件。

1.2 支撑架和托架参数化有限元模型

运用ANSYS APDL语言创建参数化的分析流程是结构优化的基础。本文在支撑架和托架参数化三维模型的基础上，运用APDL语言建立了支撑架和托架参数化有限元模型，并生成ADAMS动力学模型需要的柔性体中性文件。

对支撑架，建模时采用8节点solid45单元。为提高网格质量，在支撑架与摇架固定处、与身管接触处等关键部件适当增加了网格的密度。在支撑架与身管和摇架的接触面定义了刚性区域，并定义了外部节点，用来在多体系统动力学模型中与刚体部件的连接，同时也是瞬态动力学分析中的载荷加载节点。整个有限元模型共有14 734个节点，其中有8个外部节点。

托架模型比较复杂，可以采用在ANSYS Work-Bench中划分网格、设置刚性区域和刚性连接点并进行静强度分析，将分析文件(ds.dat)导入ANSYS中并生成柔性体中性文件。

托架结构、材料属性等参数的修改方法采用Python语言编写，DS分析文件导入ANSYS及柔性体文件的生成方法采用APDL语言编写。

1.3 遥控武器站刚柔耦合发射动力学模型

根据某遥控武器站的结构组成和工作原理，将武器系统简化成由身管、自动机组件、托架、炮床、摇架、耳轴、观瞄系统组件、弹箱组件、座圈、高低机、高低机主齿轮、支撑架、身管缓冲簧和弹丸等24个构件组成的多体系统。建模时主要考虑以下因素。

1)将身管、托架和支撑架视为柔性体，其他构件均作刚体处理。支撑架和托架柔性体中性文件由前述参数化有限元模型生成;身管柔性体中性文件直接运用ANSYS Workbench软件进行模态分析，并在ANSYS中生成，不作参数化处理。将生成的所有柔性体中性文件导入ADAMS软件，建立全系统刚柔耦合动力学模型。

2)考虑身管与弹丸之间的相互作用，高低机主齿轮与摇架齿弧之间的弹性碰撞，在ADAMS软件中定义Flex Body to Solid接触;考虑耳轴轴承间隙以及支撑架与身管之间、自动机组件与摇架滑槽之间的间隙，这些构件之间定义Solid to Solid接触［4］。

3)遥控武器站射击时的主动力为膛内火药气体压力，根据实验测得的膛压数据，在ADAMS中定义主动力的大小。

根据射击试验测得的托架振动数据，对模型进行了验证，模型具有较高的可信度。通过仿真得到炮口振动的位移和速度以及角位移和角速度等参数。

在前述动力学模型的基础上，运用ModelCenter的快速封装工具QuickWrap对ADAMS的cmd文件和ANSYS的APDL命令流文件进行封装，实现遥控武器站动力学模型的集成。运用ADAMS二次开发语言，在cmd文件中添加耳轴轴承三维模型文件(*.igs文件)的读取命令，ALIGN()、ABS()函数等后处理语句，并通过numeric_results write和file fea_loads wirite语句自动输出需要的炮口振动参数和载荷参数。在ModelCenter环境中，cmd文件和APDL命令流文件中的参数可以提取，通过修改参数实现仿真模型的自动修改和仿真过程控制。

2 总体结构参数优化模型

2.1 目标函数

影响炮口起始扰动的主要因素是弹丸出炮口时的炮口线位移、线速度、角位移和角速度［5-6］，因此，本文优化问题的目标函数可确定为上述4个，属于多目标优化问题，可采用线性加权方法将目标函数转化为2个，并进行归一化处理，即

式中:dh、dz、ah、az分别为炮口横向和纵向的线位移和角位移;dh0、dz0、ah0、az0分别为炮口横向和纵向的线位移和角位移的初始值;vh、vz、ωh、ωz分别为炮口横向和纵向的线速度和角速度;vh0、vz0、ωh0、ωz0分别为炮口横向和纵向的线速度和角速度的初始值;α和β分别为炮口线位移(速度)和角位移(速度)的加权系数，取 α =70%，β =30%［7］。

2.2 设计变量

由前面的分析可知:遥控武器站系统的独立设计变量很多(21个)，需要进行灵敏度分析，选取灵敏度高的变量作为设计变量。本文采用Model-Center中的基于拉丁超立方(Latin hypercube sampling)的试验设计方法进行灵敏度分析，得到各变量对目标函数的灵敏度，如图1、2所示。

根据灵敏度分析结果确定设计变量为:支撑架与身管的间隙、支撑架长度、支撑架弹性模量、缓冲簧刚度和阻尼、动力偶臂、耳轴的位置、自动机和摇架的质量、托架的质量和弹性模量。

2.3 约束条件

根据遥控武器站的功能要求、结构特点和加工工艺可得到约束条件如下:支撑架质量Mz≤20 kg;耳轴轴承距离50 mm≤Le≤120 mm;支撑架和托架最大应力σm1、σm2≤350 MPa。

2.4 优化算法

ModelCenter提供了基于遗传算法的多目标优化器(Darwin)，该优化器提供了广泛的遗传算子和多收敛准则，适于求解由离散设计变量或连续设计变量定义的全局优化问题，本文的多目标优化问题选用此优化器求解。

3 优化与分析

将上述各组件在ModelCenter软件中集成，并建立遥控武器站总体结构参数优化平台。运用遗传算法多目标优化器Darwin建立优化模型，选取种群数量为70，计算最大的遗传代数为500，终止条件为遗传代数为67代后未能进化，变异概率为0.05，交叉概率为0.95。优化结果见表1，目标函数收敛情况如图3所示。

表1 设计变量及目标函数初始值与优化值

由表1可知:优化后支撑架的长度为1 123.7 mm，与身管间隙为0.997 mm;自动机质量与原方案相当，摇架质量增加了7.3%;左耳轴(弹箱处)轴承往身管轴线位置移动了4.6 mm，动力偶臂(高低向)增加了10.34 mm;托架质量较原方案降低了5.68%，托架刚度降低了5.9%，与位移相关的起始扰动和与速度相关的起始扰动分别较原方案降低了17.05%和19.04%。原方案与优化后方案部分炮口振动特性对比如图4-9所示。

图3 目标函数收敛情况

由图4-9可看出:优化后的炮口线位移、线速度和角速度较原方案都有一定的降低，炮口振动快速减缓，更有利于下一发弹射击。

4 结论

本文基于多学科集成优化软件ModelCenter，采用多目标遗传算法对遥控武器站进行总体结构参数优化，为改善遥控武器站总体性能提供了一种新的方法。从优化结果看，遥控武器站炮口扰动大大减小，对提高遥控武器站射击精度具有一定的参考价值。

［1］ Wu Y L，Mao B Q，Xu L，et al.The Evaluation of Module Division Programme Based on Information Entropy［J］.Advanced Materials Research，2012，479/481:1592-1595.

［2］ Gawronski W，Beech-Brandt J J，Ahlstrom H G，et al.Torque-Bias Profile for Improved Tracking of the Deep Space Network Antennas［J］.IEEE on Antennas ＆ Propagation，2000，42(6):35-45.

［3］ 毛保全，王传有，邵毅，等.某型遥控武器站射击密集度仿真与优化［J］.装甲兵工程学院学报，2010，24(2):36-40.

［4］ 刘雷，陈运生，杨国来.基于接触模型的弹炮耦合问题研究［J］. 兵工学报，2006，27(6):984-987.

［5］ 毛保全，穆歌.自行火炮总体结构参数的优化设计研究［J］.兵工学报，2003，24(1):6-7.

［6］ 蔡文勇.大口径车载火炮多柔体动力学与总体优化研 究［D］.南京:南京理工大学，2009.

［7］ 崔凯波，秦俊奇，贾长治，等.炮口扰动影响参数分析与优化研究［J］.火炮发射与控制学报，2010(3):34-37.