步兵战车自动炮武器系统发射动力学模型修正

张金忠，苏忠亭，徐 达，赵富全

（装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072）

步兵战车自动炮武器系统发射动力学模型修正

张金忠，苏忠亭，徐 达，赵富全

（装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072）

为提高自动炮武器系统发射动力学模型精度，基于实弹射击试验建立支持向量机响应面，对仿真模型进行了修正。应用有限元分析方法建立了双炮身管结构和炮塔结构有限元模型，基于武器系统各部件间的约束关系建立了步兵战车刚柔耦合发射动力学模型；基于相同边界条件，选取自动炮连发射击中典型结构的振动特性搭建了测试系统并进行了实弹射击试验；针对仿真数据与试验数据误差，引入支持向量机响应面方法对步兵战车刚柔耦合发射动力学模型进行了修正。修正结果表明，基于支持向量机响应面的模型修正方法大幅提高了自动炮武器系统发射动力学模型的精度，更准确地反映了自动炮射击过程中的机构动态特性。

步兵战车；自动炮武器系统；发射动力学；仿真

某型步兵战车选用小口径自动炮作为主炮的辅助武器系统，主要用于压制或杀伤对战车威胁的有生力量，杀伤轻装甲目标，以及对空作战。由于自动炮结构复杂，射击时条件恶劣，撞击剧烈，受载复杂，影响因素多，且该新型步兵战车列装部队时间短，对自动炮射击精度的影响因素缺乏深入研究，在部队实弹射击时连发射击密集度差，射弹散布非常大。部队迫切需要掌握步兵战车自动炮影响射击精度的主要技术状态因素［1］。应用机械系统动力学仿真软件建立自动炮发射动力学模型是解决上述问题主要技术手段，而自动炮武器系统自身结构和受载的复杂性，使得建立发射动力学模型比较复杂，定义的大量的接触能否反映真实的零部件载荷传递关系还有待进一步研究，发射动力学模型具有一定的误差，模型的正确性和有效性无法得到根本保证。

模型修正技术是近几十年来工程界发展的热点问题之一［2］，为提高自动炮发射动力学模型的准确度，需要对动力学模型进行修正。对于定义接触比较多的自动炮武器系统，采用参数修正方法比较有效。参数修正方法主要有简约梯度法、多项式回归法、径向基函数法、神经网络法等［3］。笔者提取对模型准确度影响较大的参数，应用径向基函数响应面理论，根据自动炮停止间射击过程动态响应实验数据对武器系统发射动力学模型进行参数修正，使动力学模型更加反映实际，提高工程应用价值。

1 步兵战车自动炮发射动力学模型

1.1 基本假设

由自动机工作过程与动力关系，作如下假设：1）双炮身管、炮塔为柔体，其余作刚性处理。2）忽略路面不平度影响［4］。

3）不计弹炮耦合、动力系统、供输弹系统振动影响，将供输弹机构、火控系统、观瞄系统、通信系统和动力传动系统等部件简化为配重，将质量差值进行补偿。

4）边界条件为主动轮制动，悬挂不闭锁，高低射角25°、方向射角0°、常温穿甲弹射击。

1.2 身管炮塔有限元模型

在Pro／E三维实体建模软件中建立双炮结构和炮塔结构的三维实体模型，适当简化后导入ANSYS有限元分析软件，为控制网格划分效果和计算精度，应用Patch Conforming方式划分网格，得到如图1所示的有限元模型。

1.3 步兵战车刚柔耦合发射动力学模型

在ADAMS动力学仿真软件中建立包含自动炮系统、主炮、炮塔、炮塔座圈、车体、履带系统的整车刚柔耦合发射动力学模型，自动炮系统和炮塔武器系统的拓扑结构如图2所示，发射动力学模型如图3所示。建立的刚柔耦合模型共有3个柔性体、428个刚体和2 277个自由度。

图2中，H1为固定副；H2为旋转副；H3为接触副；H4为移动副；H5为弹簧。

2 武器系统发射动力学模型修正

2.1 设计变量

根据步兵战车武器系统发射动力学模型建立过程中进行的简化和对结构动态特性影响因素的分析，确定影响武器系统发射动力学模型的主要因素有：摇架与耳轴接触刚度、高低机齿轮齿弧接触刚度、缓冲器与摇架接触刚度、自动炮身管与缓冲器接触刚度、闩体与炮尾接触刚度和连接套筒与自动炮身管接触刚度，初始值均设为默认值100 kN／mm，变化范围均为10～1 000kN／mm。

在发射动力学模型中，为不失一般性，选择炮塔上左前、右前、左后、右后、自动炮炮尾垂向、炮尾水平、主炮炮口垂向和水平8个节点加速度添加虚拟measure，由于是连发射击，加速度信号的时域特征更能反映射击过程中结构振动情况，以主炮炮口测点为例，自动炮4连发射击仿真中垂向加速度如图4所示。

2.2 自动炮实弹射击试验

针对步兵战车自动炮停止间射击过程中结构振动特性，采用PXI设备结合4472B8通道动态信号采集模块对自动炮实弹射击过程中炮塔和身管振动特性进行试验。由于自动炮炮口测试困难，而基于步兵战车的双炮结构，主炮炮口与自动炮炮口采用连接套筒相连接，因此主炮的振动特性一定程度上也能反映自动炮的振动特性。因此对于自动炮的炮口扰动，可应用主炮炮口代替自动炮炮口进行测试。搭建测试系统如图5所示。

应用LabVIEW软件编写测试程序，对自动炮停止间射击过程结构振动特性进行检测，测得各测点加速度时域信号［5］，限于篇幅，给出主炮炮口垂向位置测点加速度曲线如图6所示。

2.3 目标函数

定义仿真曲线与实测曲线的相似度［6］：

式中：cov（x，y）为x，y的协方差，D（x）、D（y）分别为x，y的方差。cxy越大，模型越准确。求解各测点仿真曲线与实测曲线相似度，如表1所示。

表1 仿真曲线与实测曲线相似度

由表1可以看出，自动炮发射动力学仿真模型各测点仿真曲线与实测曲线相似度较低，均值为0.66，仿真模型需要优化。

定义优化目标函数为8个测点加速度与对应实测加速度曲线的相似度的均值：

式中：φf、φt分别为仿真曲线和实测曲线。

2.4 支持向量机响应面模型修正算法

为统一设计变量量纲，对刚度系数进行归一化处理，对设计变量进行实验设计，每个因素取5个水平，建立正交表L25＿5＿6。根据正交表L25＿5＿6，在ADAMS软件中进行25次仿真试验。

在步兵战车自动炮发射动力学模型中，炮塔、主炮炮口、自动炮炮尾对应位置添加加速度measure，得出8个测点加速度功率谱与对应实测加速度功率谱曲线的相似度与设计变量对应关系的样本集为：

其中xi为各水平待训练样本，xi∈Rd，yi∈R为加速度功率谱密度曲线相似度，该样本集用以建立响应面模型。

对式（3）引入变换：

根据支持向量机理论，支持向量机回归可描述为

式中：Φ（x）表示映射函数。系数w和偏置量b可以由以下风险函数表示［7］：

引入正的松弛变量ξi，ξi＊，方程（6）转化为以下优化问题：

将此优化问题转化成其对偶问题：

根据Kuhn-Tucker条件，只有一部分支持向量系数（αi-）≠0，其他非支持向量系数（αi-）＝0。支持向量机回归可进一步表示为：

式中：K（xi，xj）＝Φ（xi）·Φ（xj）为满足Mercer定理的核函数；αi和α＊i为Lagrange乘子。

2.5 优化计算

选取高斯径向基函数为核函数，设K（xi，xj）＝exp（-g‖xi-xj‖2），代入式（9），对Matlab中的支持向量机工具箱LS＿SVMlab进行编程，构建支持向量回归机，对25次发射动力学动力学仿真计算的输入条件和输出结果代入支持向量回归机求得支持向量系数αi、和b，经过调试，调整核函数宽度σ2＝5和错分惩罚因子C＝1 029，构造的响应面模型如图7所示。

对图7所示的响应面模型进行优化计算，得出优化结果为cxy＝0.885 84，各设计变量取值：

摇架与耳轴接触刚度428 621N／mm、高低机齿轮齿弧接触刚度999 994N／mm、缓冲器与摇架接触刚度693 723N／mm、自动炮身管与缓冲器接触刚度10 008N／mm、闩体与炮尾接触刚度376 106N／mm、自动炮身管与连接套筒接触刚度54 291N／mm。为验证修正模型准确性，将修正后各设计变量导入动力学模型进行仿真计算，得出主炮炮口垂向位置测点加速度曲线如图8所示。

求解各测点优化后仿真曲线与实测曲线相似度如表2所示。

表2 仿真曲线与实测曲线相似度

由图8和图6对比及表2可以看出，自动炮发射动力学仿真模型优化后各测点仿真曲线与实测曲线相似度均值为0.87，达到了模型修正的效果。

3 结 论

笔者基于实弹射击试验和支持向量机响应面修正算法对某新型步兵战车自动炮武器系统发射动力学模型进行了修正。经过修正，各测点加速度相似度均值由0.66变为0.87，表明支持向量机响应面模型修正算法有效提高了自动炮武器系统发射动力学模型的准确度，使简化的动力学模型更加真实的反映武器系统结构的动力特性，为保证发射动力学模型的精度提供了基础条件，支持向量机响应面修正方法可推广至其他武器装备，有利于工程应用。

（References）

［1］徐达，韩振飞，苏忠亭.基于虚拟样机技术的某小口径自动炮射击仿真分析［J］.装甲兵工程学院学报，2011，25（4）：47-49.XU Da，HAN Zhen-fei，SU Zhong-ting.Numerical simulation of a small-caliber gun based on virtual prototype technique［J］.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2011，25（4）：47-49.（in Chinese）［2］John E M.Assignment of eigenvalue sensitivities from reacceptance measurements［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2009，（23）：1931-1939.

［3］Chen P H，Fan R E，Lin C J.A study on smo-type decomposition methods for support vector machine［J］.IEEE Trans on Neural Networks，2006，17（4）：893-908.

［4］韩小平，赵富全，郝刚，等.基于虚拟样机技术的30mm自动炮动态特性仿真研究［J］.火炮发射与控制学报，2012，（3）：18-21.HAN Xiao-ping，ZHAO Fu-quan，HAO Gang，et al.Simulation study of 30mm automatic gun dynamic characteristics based on virtual prototype technique［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2012，（3）：18-21.（in Chinese）

［5］姚志军，朱凯，王军，等.速射火炮立靶密集度的相关系数分析与检测［J］.火炮发射与控制学报，2012，（3）：1-4.YAO Zhi-jun，ZHU Kai，WANG Jun，et al.Analysis and detection for correlation coefficient of rapid fire gun’s vertical target density［J］.Journal of Gun Launch＆Control，2012，（3）：1-4.（in Chinese）

［6］滕军，朱焰煌，卢云军，等.基于多数出支持向量回归机的有限元模型修正［J］.振动与冲击，2010，29（3）：9-13.TENG Jun，ZHU Yan-huang，LU Yun-jun，et al.Finite element model updating based on multi-outputs support vector regression［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29（3）：9-13.（In Chinese）

［7］程霄翔，费庆国，何顶顶.基于响应面的大型输电塔结构有限元模型动力修正［J］.振动与冲击，2011，30（5）：116-121.CHENG Xiao-xiang，FEI Qing-guo，HE Ding-ding.Dynamic updating of a large transmission tower’s finite element model based on response surface methodology［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30（5）：116 -121.（in Chinese）

Firing Dynamics Model Updating of Automatic Gun Weapon System in Certain Infantry Combat Vehicle

ZHANG Jin-zhong，SU Zhong-ting，XU Da，ZHAO Fu-quan
（Department of Arms Engineering，Armored Force Engineering Academy，Beijing 100072，China）

The automatic gun firing dynamics model was built up and the simulation model was updated by use of the support vector machine response surface method based on the actual firing experiment so as to analyze the influence factor of firing precision.The finite element models of the gun barrel structure and turret structure were established by means of finite element analysis method，and the rigid-flexible coupled firing dynamics models of the infantry combat vehicle were set up based on the restricted relationship between components and joints of the weapon system.The test system was established and the actual firing experiment was carried out by use of picking up the typical structure vibration characteristics in the burst firing of automatic gun based on the same boundary conditions.Aimed at the errors between the simulation data and the test data，the automatic gun firing dynamics model was updated.The updating results showed that the model updating method can increase the precision of firing dynamic model and more accurately reflect the framework dynamic characteristics of infantry combat vehicle automatic gun during the course of firing.

infantry combat vehicle；automatic gun weapon system；firing dynamics；simulation

TJ301

A

1673-6524（2014）01-0056-05

2013-03-22；

2013-07-01

张金忠（1967-），男，硕士，教授，主要从事武器系统测试与动力学仿真研究。E-mail：suzhongting＠yahoo.com.cn