某闭合弹带动力学仿真与试验分析

王相生，苏执阳

（海军装备部，北京 100841）

某闭合弹带动力学仿真与试验分析

王相生，苏执阳

（海军装备部，北京 100841）

闭合弹带在自动机的射击过程中做间歇运动，自动机的启停对弹带产生较大的冲击作用。针对自动机射击中闭合弹带的运动特点，建立基于复杂铰连接的弹带阻力计算模型，进行弹带阻力仿真计算；采用多体动力学仿真软件RecurDyn，建立弹带刚柔耦合仿真模型，将弹带阻力与托弹力作为仿真模型的输入激励导入RecurDyn中；通过MATLAB和RecurDyn仿真，获得弹带动力特性数据；并与试验数据进行对比分析，验证了仿真结果的有效性。仿真结果与试验数据可为闭合弹带的优化设计提供依据，对研究全炮动力学特性具有重要意义。

闭合弹带；刚柔耦合；动力学仿真

小口径火炮无链供弹方式可分为弹鼓式和闭合弹带式两种。国内对弹鼓式无链供弹技术的研究与应用较多，而对闭合弹带式无链供弹的研究还未突破［1］。闭合弹带式无链供弹系统是通过弹托组成的闭合弹带将弹丸线性串联起来，闭合弹带的一端叠放在有驱动装置的弹箱中，另一端和自动机结合，从而完成供弹系统与自动机的匹配及其自动供弹。由于闭合弹带设计的灵活性，在方式上可以组成单路、双路供弹，在应用上可以做成舰载、车载、机载火炮的无链供弹系统，因此较弹鼓式无链供弹应用灵活。笔者对某闭合弹带的运动位移、速度等动力学关键特性进行了仿真分析和试验研究。

1 动力学模型建立

1.1 模型中的基本假设

1）炮弹为刚体，内力的作用线与炮弹和弹托质心的连线相重合。

2）弹带水平放置在输弹导引内，弹带只能沿水平方向运动。

3）弹托变形和连接间隙统一简化成线性弹簧力。

4）有结构阻尼及撞击引起的能量损失。

1.2 弹带运动特点

自动机射击时，弹带的运动较为复杂，具有以下特点：

1）射击时，自动机必须完成后坐和复进两个过程，两发炮弹连续射击之间存在一定的时间间隔，所以拨弹轮的运动是间歇的。

2）弹带各弹托间存在间隙，当弹托之间的间隙消失后才传递拉力和运动，在传递拉力和运动过程中，弹带运动过程中会产生撞击。

3）弹带传递给炮弹的作用力通常与炮弹质心的连线不重合，因此，当弹带运动时，各发炮弹可能会绕其质心偏转，使各炮弹之间、炮弹与导引壁之间产生撞击，消耗能量。

4）拨弹机构一次拉动弹带完毕停止运动时，弹带仍继续惯性运动，炮弹之间产生撞击，消耗部分能量。

1.3 弹带动力学模型

如图1所示，闭合弹带由多个弹托组成，闭合弹带在拨弹轮的作用下沿着输弹导引运转。单次射击，自动机带动拨弹轮转动一定角度，在拨弹轮启动时，闭合弹带承受自动机施加的巨大驱动力，闭合弹带开始启动，各弹托之间相互拉伸；拨弹到位后，拨弹轮停止，各弹托之间又受到惯性力作用而造成挤压。

闭合弹带在运转过程中，受到的影响因素较多，为接近实际弹带的受力情况，建立基于复杂铰连接的多刚体模型如图2所示。由于加工装配造成弹托之间有连接间隙，在建立弹带动力学模型中，为便于分析，将各个弹托之间假定为无间隙连接，弹托变形和连接间隙统一简化成线性弹簧力，该弹簧力从弹托运动开始就参与作用［2-3］。

设弹带系统由n＋1个炮弹和弹托组成。弹托质量附加在炮弹上，依次用m0，m1，…，mn表示。拨弹轮的质量为m0，其速度为v，弹托的弹性用弹簧刚度k1，k2，…，kn表示，以便考虑弹托的弹性。结构阻尼和撞击的能量损失用阻尼器代表，其等效阻尼系数用c1，c2，…，cn来表示。取弹托间隙为一半时炮弹质心的位置为坐标零点，用广义坐标q0，q1，…，qn表示质量m0，m1，…，mn的水平位移。m0的运动是已知的。取第i个炮弹为隔离体，分析水平受力情况，如图3所示。

对于质量mi可写出水平运动微分方程：

式中：mi为炮弹和弹托的等效质量；f为弹带与导引间的滑动摩擦系数。

上述方程可适用于除m0外的各个质量mi，可把上述方程组写成矩阵形式：或简写成

式中：M为质量矩阵，为对角阵，在该模型中各刚体质量相同，对角元素mi＝m；¨q为广义加速度阵列；S为关联矩阵；X为内力阵列，由铰中弹性力ki（qi-1-qi）和阻尼力ci（.qi-1-.qi）组成的阵列，在模型中ki＝k，ci＝c。

2 RecurDyn仿真模型建立

运用多体动力学仿真软件RecurDyn，建立闭和弹带装置刚柔耦合动力学模型，它采用相对坐标系统运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题［4］。

2.1 模型总体结构及约束

为了分析方便，取闭合弹带装置的一段进行分析，其三维模型如图4所示。模型由弹托、炮弹和输弹导引三部分构成。将此三维模型导入Recur-Dyn多体动力学仿真软件，然后将弹托进行有限元划分，在仿真分析中作为柔性体处理，从而建立闭合弹带刚柔耦合动力学仿真模型。根据闭合弹带装置的结构特点，设置弹托与输弹导引、炮弹的刚柔面接触，弹托间的旋转约束和弹托沿输弹导引的平移约束。

2.2 仿真输入

仿真输入由自动机拖动弹带的动力学特性和弹带阻力特性两部分组成。其中自动机拖动5发炮弹时的弹带所承受的主动力由自动机运动微分方程及气室压力方程计算获得，如图5所示；根据建立的弹带动力学模型，采用仿真计算软件MATLAB，计算自动机射击时5发炮弹的弹带阻力如图6所示。

把图5和图6所示曲线在RecurDyn中施加到弹带刚柔耦合模型上作为载荷输入进行仿真分析。

3 仿真结果与试验对比

3.1 仿真结果

通过MATLAB和RecurDyn仿真，计算获得了5发炮弹质心的位移q、速度.q动力特性，如图7和图8所示。

从图7位移-时间曲线和图8速度-时间曲线可以看出，射击时，弹带在达到最大位移42.5 mm后，会出现“后退”现象，这是由于弹托间存在弹性变形，弹托进行过柔性化处理。弹带加速启动时，第1发炮弹处所受的冲击最大，射击结束后，由于阻尼器的作用，弹带在震荡中趋于稳定，但闭合弹带启动瞬间的最大速度均控制在2m／s内。

3.2 试验分析与对比

为验证笔者所建立的数学模型和弹带刚柔耦合动力学模型的正确性，在某试验靶场进行了某闭合弹带装置的实弹射击试验，试验照片如图9所示。试验获得了该闭合弹带装置的动态响应数据，如图10所示。试验曲线与仿真曲线的对比如图11所示。

由图10可以看出，自动机驱动闭合弹带启动瞬间的最大速度控制在2m／s内，并且在开始时刻速度增量波动较小，这表明自动机启动瞬间平稳，对闭合弹带的冲击较小。

将图8中的仿真速度曲线与图10试验速度曲线进行对比，仿真结果与试验实测数据基本吻合，如图11所示，可以看出建立的数学模型和刚柔耦合动力学模型都能够有效地模拟闭合弹带的动力学响应。在图11中，仿真曲线的速度先于实测速度曲线下降，这是因为在仿真过程中，进行了一些基本假设，对摩擦阻力的计算进行了简化处理，与实际试验中的恶劣工作环境有所差别，因此，仿真曲线与试验测试结果有一定差异。

4 结束语

通过对某闭合弹带装置的动力学特性分析，建立了基于复杂铰连接的弹带多刚体数学模型。运用多体动力学仿真软件RecurDyn，建立了某闭合弹带装置的刚柔耦合模型。采用MATLAB和RecurDyn仿真，对模型的动力学响应过程进行了仿真分析，深入研究了弹带启停瞬间的受力和运动特性，并与试验测试数据进行了对比分析，为研究闭合弹带式无链供弹系统的动力学特性打下了基础。

（References）

［1］杨海川，张建峰.一种新式的闭合弹带机构［J］.兵工自动化，2011，（9）：16-17.YANG Hai-chuan，ZHANG Jian-feng.A new closedshell belt mechanism［J］.Ordnance Industry Automation，2011，（9）：16-17.（in Chinese）

［2］李国丰.弹带阻力的一种简化计算方法［J］.教练机，2011，（2）：3-5.LI Guo-feng.A simplified calculation method for ammunition belt resistance［J］.Trainer，2011，（2）：3-5.（in Chinese）

［3］韩魁英，王梦林，朱素君.火炮自动机设计［M］.北京：国防工业出版社，1988.HAN Kui-ying，WANG Meng-lin，ZHU Su-jun.Design of automatic gun［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1988.（in Chinese）

［4］郑建兴，张相炎.基于RecurDyn的同步带弹箱动态特性仿真研究［J］.火炮发射与控制学报，2010，（4）：75-78.ZHENG Jian-xing，ZHANG Xiang-yan.Dynamic characteristic research of timing belt ammunition box based on RecurDyn［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2010，（4）：75-78.（in Chinese）

Dynamic Simulation and Test Analysis of One Closed Shell Belt Mechanism

WANG Xiang-sheng，SU Zhi-yang
（Naval Equipment Department，Beijing 100841，China）

Intermittent motion of the closed shell belt was produced in artillery firing.Start-stop of automatic gun has brought great impact on the closed shell belt.The calculating model of belt drag was established by analyzing the movement characteristics of closed shell belt in artillery firing.The belt dray was calculated.Rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was established in the Recurdyn software of multiple-rigid-body system.The data of the belt dray enter the rigid-flexible coupling simulation model of closed shell belt was and the dynamic characteristics of closed shell belt were obtained through co-simulation of Recurdyn and Matlab.The simulation results were effective by compared with experimental date.the results provided scientific basis for the closed shell belt optimize design and importance purport for study on the dynamic characteristics of automatic gun.

closed shell belt；rigid-flexible coupling；dynamics simulation

TJ762

A

1673-6524（2014）01-0075-04

2013-09-10；

2013-11-10

王相生（1974-），男，硕士研究生，主要从事舰炮总体技术研究。E-mail：609984737＠qq.com