某轮式自行高炮长连发射击炮口扰动结构参数动力学优化

曹广群，王建中，朵英贤，杨 东

（1.中北大学武器装备技术学院，山西太原 030051；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

某轮式自行高炮长连发射击炮口扰动结构参数动力学优化

曹广群1，王建中2，朵英贤2，杨 东3

（1.中北大学武器装备技术学院，山西太原 030051；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

针对减小某轮式自行高炮长连发射击时的炮口扰动问题，采用ADAMS与MATLAB联合仿真的方法，基于改进的自适应遗传算法进行结构参数动力学优化设计。基于物理样机，构建了虚拟样机，并通过连发射击动态响应数值仿真结果与实弹射击试验结果的对比验证虚拟样机。通过动力学优化设计，找出了减小炮口扰动的系统最佳参数匹配，优化前后结果证明优化效果显著。计算结果为总体设计及结构改进提供了理论依据。

结构参数优化；动力学；轮式自行高炮；自适应遗传算法；连发射击

某自行高炮采用了新轮式底盘，实弹射击试验中发现，长连发射击时（连续射弹发数大于等于10），弹丸始终在炮口振动中射出，出现射弹散布不断变大，射击精度明显降低的现象。为减小长连发射击时炮口扰动，提高射击精度，需要对其结构参数进行动力学优化设计，即在现有条件下，对众多的结构参数进行合理匹配，从而达到战术技术指标［1］。

轮式自行火炮结构参数优化问题具有强非线性、多模型等特点，求解较难［2］。文献［3］利用序列二次规划算法与虚拟样机融合实现了火炮结构参数的动态优化，另外，国内就采用伴随变量法、拓展的状态空间梯度投影法［4］及随机方向法［5］，利用复合型法改进的遗传算法［6］等对火炮结构设计参数进行了优化设计。以上优化方法各有优缺点，各有一定的适应范围。

笔者基于ADAMS建立的轮式自行高炮虚拟样机，全面考虑了整车系统复杂几何特性，计及悬挂系统中减振器的非线性刚度及阻尼特性，考虑了身管弹性变形。因此，在对其进行动力学响应分析时，直接采用动力学方程来描述十分困难，而采用ADAMS solver求解器则可以快速有效地求解。通过仿真试验发现，常规的优化算法对求解轮式自行高炮这类强非线性、多模型优化设计问题十分困难。因此，需要寻求更适合的优化算法，改进的自适应遗传算法（Adaptive Genetic Algorithm，简称AGA）提供了一种求解复杂系统优化问题的方法。它不依赖问题的领域，对问题种类有很强的鲁棒性［2］，且交叉概率和变异概率随个体的适应度值而变化，可避免传统遗传算法易陷入局部极值的缺陷，增加算法全局收敛性和快速性。因此，笔者提出了基于改进自适应遗传算法的ADAMS与MATLAB联合仿真优化方法，该方法结合了ADAMS求解器的便捷性和MATLAB强大的模块化编程功能。

1 结构参数动力学优化模型

轮式自行高炮动力学仿真模型分为两个方面，一方面要建立虚拟样机平台，另一方面建立优化计算模型。将这两个方面的模型结合可实现结构参数优化计算。

1.1 虚拟样机的建立及试验验证

1.1.1 虚拟样机的建立

基于某轮式自行高炮的物理样机，通过开展全炮几何模型的构建、系统结合部物理参数测试与计算、非线性悬挂系统参数计算、计及身管弹性变形的全炮系统动力学建模，并添加约束及施加载荷，建立轮式自行高炮虚拟样机仿真试验平台，如图1所示。

在虚拟样机中，建立全局坐标系Oxyz，在高低和方位射角都为0°时，沿炮膛轴线从炮口指向炮尾方向为x轴正向，铅垂向上为z轴正向，y轴根据xz轴由右手法则确定。

该轮式自行高炮虚拟样机为十六自由度刚柔耦合系统，包括起落部分绕耳轴中心1个回转自由度，炮塔相对底盘回转中心1个回转自由度，8个独立悬挂系统各1个自由度，车体6个自由度。身管采用有限元模型。

1.1.2 虚拟样机的验证

在炮塔方位角机械锁死，车体悬挂闭锁，炮口方向垂直指向车体尾部，高低角为0°的状态下，基于轮式自行高炮虚拟样机，进行10连发射击动态响应数值仿真。

实弹射击试验时，采用全装药炮弹进行10连发射击，车体及悬挂等状态与数值仿真试验时相同。并在射击过程中，采用位移传感器对炮口振动位移进行了测试。

图2和图3为炮口垂直方向和水平方向测试与数值仿真的振动位移曲线。

表1为炮口垂直和水平方向振动位移数值仿真及试验结果的对比。

表1 炮口振动位移测试与仿真结果

通过图表中的数据可以看出，炮口垂直方向及水平方向的数值仿真与测试的结果振动规律一致，振动位移数值仿真结果与测试结果吻合较好，相对误差较小。因此，该虚拟样机可作为轮式自行高炮结构参数优化设计的试验平台。

1.2 基于改进的AGA优化计算模型

以减小炮口扰动为目标的轮式自行高炮结构参数优化，可用含上、下限约束的最优化问题来描述：

式中：f（xi）为炮口扰动值；xi为优化设计变量。

改进的自适应遗传算法，其交叉概率及变异概率可随适应度函数值自动调整，计算表达式［2］如下：

采用改进的自适应遗传算法进行优化计算时，需要进行设计变量的确定，边界约束条件的确定及适应度函数的定义。

1.2.1 设计变量的确定

通过轮式自行高炮结构参数对射击精度影响的定性分析，选取对炮口扰动影响较大的15个参数作为动态响应优化设计变量。按照联合仿真流程，按顺序分别定义15个输入变量为input（1）～input（15），并将它们与结构参数关联。

1.2.2 边界约束条件的确定

根据轮式自行高炮物理样机的各设计变量的原始值并综合实际工程的可行性，可确定各个设计变量的边界约束，如下：

1.2.3 适应度函数的定义

遗传算法在进化搜索中，以适应度函数为依据，利用种群中每个个体的适应度值来进行搜索。因此，适应度函数的选取至关重要，直接影响到算法的收敛速度以及能否找到最优解［2］。一般适应度函数由目标函数变换而成。

在连发射击整个过程中，选择炮口扰动位移最大值作为动态响应优化目标函数，该值可通过ADAMS solver求解器求解得出，并可通过ADAMS与MATLAB接口传递给目标函数。笔者将炮口扰动位移最大值的相反数定义为适应度函数。

2 优化计算结果

基于建立的结构参数动力学优化模型，选取种群大小为30，最大进化代数为300，离散精度为0.01，杂交常数Pc1＝0.9，Pc2＝0.6，变异常数Pm1＝0.1，Pm2＝0.001进行优化设计，通过优化运算得到结构参数优化结果见表2，曲线如图4所示。

表2 轮式自行高炮总体结构设计变量优化结果

3 结 论

笔者以减小轮式自行高炮长连发射击炮口扰动为目的，采用ADAMS与MATLAB编程联合仿真的方法，利用改进的自适应遗传算法对影响长连发射击炮口扰动的主要参数进行了动力学优化设计，获得了减小炮口扰动系统较佳匹配参数，结论如下：

1）总体来说，该方法优化效果比较显著，优化前后的炮口垂直方向的最大位移降低了18.05%。

2）在一定范围内，增加前轮缓冲弹簧的刚度以及减小后轮缓冲弹簧的刚度，对减小炮口垂直方向的位移有利，增加高低机阻尼刚度有利于炮口扰动的减小。

3）相对于当前位置，将炮塔质心向下、向右或向车首方向调整，都有利于减小炮口扰动；底盘部分质心在现有结构的基础上，略上移或者右移有利于炮口扰动的减小；减小后坐部分质心垂直方向偏心距离，有利于减小炮口扰动。

（References）

［1］毛保全，邵毅.火炮自动武器优化设计［M］.北京：国防工业出版社，2007：33-55.MAO Bao-quan，SHAO Yi.Gun and automatic weapon optimization design［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2007：33-35.（in Chinese）

［2］王小平，曹立明.遗传算法——理论、应用与软件实现［M］.西安：西安交通大学出版社，2002：14，73-74.WANG Xiao-ping，CAO Li-ming.Gentic algorithm：theory，application and software actualizes［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2002：14，73-74.（in Chinese）

［3］贾长治，郑坚.结构设计参数对火炮振动影响的仿真及基于SQP方法的优化［J］.机械工程学报，2006，42（9）：130-134.JIA Chang-zhi，ZHENG Jian.Effect simulation of design parameters on muzzle vibration of guns and optimization with SQP method［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42（9）：130-134.（in Chinese）

［4］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）：5-9.MAO Bao-quan，MU Ge.Optimal design of the structural parameters of a self-propelled gun［J］.Acta Armamentarii，2003，24（1）：5-9.（in Chinese）

［5］葛建立，杨国来，曾晋春，等.某自行火炮总体结构参数灵敏度分析与优化［J］.火炮发射与控制学报，2007，（3）：16-19.GE Jian-li，YANG Guo-lai，ZENG Jin-chun，et al.Sensitivity analysis and optimization of integrated structural parameters for a type of wheeled self-propelled gun［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2007，（3）：16-19.（in Chinese）

［6］毛保全.一种基于GA的动力学优化设计方法［J］.兵工学报，1999，20（3）：286-288.MAO Bao-quan.A method based on the genetic algorithm for dynamics optimization design［J］.Acta Armamentarii，1999，20（3）：286-288.（in Chinese）

Structural Parameters Dynamics Optimization of Muzzle Disturbance in a Wheeled Self-propelled Anti-aircraft Gun during Long Burst Fire

CAO Guang-qun1，WANG Jian-zhong2，DUO Ying-xian2，YANG Dong3
（1.School of Weapons and Equipments Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Northwest Institute of Mechanical ＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

To reduce the muzzle disturbance of a wheeled self-propelled anti-aircraft gun during long burst fire，the structural parameters dynamics optimization was designed based on co-simulation method of ADAMS and MATLAB by use of improved adaptive genetic algorithm.A virtual prototype of the wheeled self-propelled anti-aircraft gun was established based on its physical prototype，and the virtual prototype was examined and verified through comparing the results of live firing test with numerical simulation.The best matched structural parameters to improve firing accuracy were obtained.The method was proved to be valid by use of comparing the results before and after optimization.Optimization results can provide the theoretical basis for the overall design and structural improvement.

structural parameters optimization；dynamics；wheeled self-propelled anti-aircraft gun；adaptive genetic algorithm；burst fire

TB122；TJ818

A

1673-6524（2014）01-0052-04

2013-10-11；

2013-11-20

国防预研项目资助（40404××××）

曹广群（1981-），男，博士，讲师，主要从事火炮及自动武器动力学仿真、优化设计。E-mail：caoguangqun98＠126.com