基于ABAQUS的某火箭炮耳轴优化设计

黄龙，李涌

（海军驻郑州地区军事代表室，郑州450052）

基于ABAQUS的某火箭炮耳轴优化设计

黄龙，李涌

（海军驻郑州地区军事代表室，郑州450052）

针对提高火箭炮的射击精度，以减小起始扰动为目标函数，在ABAQUS中建立火箭炮的发射动力学模型；在此模型基础上提取耳轴长度参量继续建立了全炮发射动力学参数化仿真分析插件，经过仿真计算得出不同耳轴长度情况下火箭炮的动态响应曲线，并对仿真计算结果进行数据处理分析其对射击精度的影响，优化耳轴长度；所得结果对火箭炮结构设计具有指导作用。

火箭炮；ABAQUS；耳轴；优化设计；参数化

某火箭炮发射系统装置主要由定向系统和支撑运行系统组成。定向系统主要包括定向器、挂箱和火箭弹等，定向器用来储运并发射火箭弹，在发动机推力和燃气流作用下火箭弹通过定心部与定向器接触沿着定向器的螺旋槽运动发射出。定向器全部安装在挂箱上，左右挂箱连接在一起并可以绕耳轴旋转实现高低俯仰运动，耳轴和支撑系统、支撑系统和基座均通过轴承连接起来，在执行电机的作用下可实现高低和方位的旋转运动［1，2］。

耳轴作为发射箱和支撑体的连接部分，是振动响应的直接受载体，发射过程中对火箭炮起始扰动具有重要影响，而火箭炮的起始扰动直接决定着火箭炮的射击精度和散布情况，故为提高射击精度，优化设计火箭炮的耳轴长度是很有必要的［3］。因此，本文通过建立火箭炮的三维实体模型，并将火箭炮模型导入ABAQUS中建立发射动力学模型，并提取需要分析的耳轴长度参数在动力学模型基础上进行参数化建模，通过对比分析不同耳轴长度的全炮动态响应，确定具有较小起始扰动的火箭炮的耳轴长度参数。

1 火箭炮有限元参数化建模

所谓参数化建模，是指输入某些参数后，计算机首先读出有限元模型数据，然后进行必要的转换和修改，再自动生成有限元模型，从而避免复杂的有限元建模过程［5］。

1.1 模型简介

在火箭炮发射过程中，耳轴作为连接部分承受着振动载荷，耳轴的长度与全炮动态响应密切相关，故研究不同耳轴长度对火箭炮起始扰动的影响对于优化火箭炮的结构设计、提高射击精度具有非常重要的意义。用X表示耳轴长度，如图1所示耳轴长度表示为

B0为回转体的直径；A0为耳轴与起落架相接状态下所需的长度；L表示起落架与回转体之间的间隙。

A0和B0为定值。L为变量，它所取的最小值必须保证挂箱整体与回转体不发生干涉，而最大值要求耳轴在承受起落部分的重力时满足可靠性要求。

图1 火箭炮发射装置示意图

1.2 基本假设

由于本文主要模拟火箭炮发射过程中耳轴长度变化对全炮的动态响应情况，回转体、基座、支撑系统和起落部分都是相对锁死的，没有调炮行为，故而可以在保证可靠的精度的前提下，舍去复杂的传动部件及相关的接连零件，保留完整的主体部件，认为回转体与基座是固连的。发射过程中，弹管间隙和发射角度都取固定值。

1.3 参数化建模过程

真正将参数化的方法应用到实际的建模仿真分析时往往按照以下步骤进行：分析模型基本结构，建立各个子机构间的相互约束关系，并确定需要进行参数化的参量；编写建模程序，通过程序将模型的各个部分实现自动化生成；编制参数化输入界面，并将界面和之前编写的建模程序级联起来，实现最终的参数化建模目的。编写建模程序是最关键的，需编写构建模型的每个操作步程序，本文采用的方法为从ABAQUS动力学模型中提取rpy文件，建模过程的每一步操作都在该文件中记录着，在rpy文件的基础上做参数设定和相关程序步骤的修改即可实现［5］。本文所建立的火箭炮参数化模型如图2所示。

2 计算结果及其分析

多管火箭炮在发射过程中，基于各种激励作用发射系统的各个部分都会发生振动，然而，定向器是与火箭弹直接接触并对其产生约束的直接部件，发射装置的其他部分也是经由定向器对弹体产生作用，并且火箭弹发射出管产生的起始扰动也是通过定向器的动态响应情况表现出来，因此对火箭弹起始扰动进行计算时，可以建立全炮动力学模型进行分析和实现［4］。

图2 火箭炮的参数化模型

结合某火箭炮的实际结构尺寸，用L表示耳轴长度变化的一个参量，L分别取值19、39、59、79（mm）时的火箭炮动态响应做仿真计算，每次仿真过程耳轴长度参数L的修改可以直接在发射动力学仿真参数化界面中修改并提交运算。仿真过程中弹管间隙取0.35、发射高低方向角度取50°，采用的发射方式为两组发射，经仿真计算得到不同耳轴长度的结果曲线，其仿真数据曲线如图3～图20所示。

1）火箭炮耳轴长度参量L为19 mm时定向器束的振动曲线（图3～图6）

图3 定向器束方位角位移

图4 定向器束高低角位移

图5 定向器束方位线速度

图6 定向器束高低线速度

2）火箭炮耳轴长度参量L为39 mm时定向器束的振动曲线（图7～图10）

图7 定向器束方位角位移

图8 定向器束高低角位移

图9 定向器束方位线速度

图10 定向器束高低线速度

3）火箭炮耳轴长度参量L为59 mm时定向器束的振动曲线（图11～图14）

图11 定向器束方位角位移

图12 定向器束高低角位移

图13 定向器束方位线速度

图14 定向器束高低线速度

4）火箭炮耳轴长度参量L为79 mm时定向器束的振动曲线（图15～图18）

图15 定向器束方位角位移

图16 定向器束高低角位移

图17 定向器束方位线速度

图18 定向器束高低线速度

5）不同耳轴长度参量L情况下方位和高低角速度的对比结果曲线（图19～图20）

图19 不同耳轴长度的方位角速度

图20 不同耳轴长度的高低角速度

仿真过程中，固定弹管间隙和俯仰角度等因素，设置发射时间间隔为0.16 s（仿真总时间为0.26 s）。根据上图计算后的仿真曲线图和数据结果可以看出，除L为79 mm情况下定向管束角速度、角位移的振动幅值较大外，其余各工况的数据结果相差较小。总体趋势上看，大部分情况下，针对于不同组次不同发射位置时，方位的起始扰动值要比高低的扰动值要大。表1列举出不同耳轴长度情况下、每组弹各个发射位置的振动响应数据。

表1 不同耳轴长度时定向管束和火箭弹的振动响应数据

对于一组弹（n发），设.φ10和.φ20为服从正态分布的随机变量，则其中间偏差为［6］

3 结束语

为了提高火箭炮的射击密集度，本文从引起火箭炮起始扰动的因素着手。通过对火箭炮的关键结构耳轴参量进行参数化仿真分析，得出不同耳轴长度下的全炮动态响应。通过对比分析得出了火箭炮耳轴长度的较好解，对于整个发射系统的结构设计具有重要指导作用。

［1］毛保全.车载武器发射动力学［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［2］杨勇.某多管火箭发射装置结构动力学仿真与动态特性优化研究［D］.南京:南京理工大学硕士学位论文，2009.

［3］赵岗，马大为.基于虚拟样机的多管火箭炮起始扰动仿真系统［J］.系统仿真学报，2007，19（6）:1300-1303.

［4］徐振钦，马大为.基于碰撞接触的弹管多体动力学建模与仿真［J］.系统仿真学报，2007，19（5）:966-967.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［6］姚昌仁，唐国梁.火箭导弹发射动力学［M］.北京:北京理工大学出版社，1996.

（责任编辑周江川）

Rocket Trunnion Optimization Design Based on ABAQUS

HUANG Long，LI Yong
（Military Reprehensive Office of Navy Stationed in Zhengzhou Region，Zhengzhou 450052，China）

Aiming at improving the firing accuracy of rocket launcher to reduce initial disturbance as objective function，the rocket launch dynamics model was established in ABAQUS.Based on this model，we extracted the ear axis length parameter to set up the whole gun launch dynamics of parametric simulation analysis plug-in，and dynamic response curves of different ear axis length of rocket were obtained after the simulated calculation，and we analyzed the influence of the plug-in on firing accuracy by the the data processing of the simulation results and optimized the ear axis length.The results have a guiding role on the rocket structure design.

rocket；ABAQUS；ear shaft；optimization design；parameter

黄龙，李涌.基于ABAQUS的某火箭炮耳轴优化设计［J］.四川兵工学报，2015（11）：29-33.

format：HUANG Long，LI Yong.Rocket Trunnion Optimization Design Based on ABAQUS［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：29-33.

TJ713

A

1006-0707（2015）11-0029-05

10.11809/scbgxb2015.11.009

2015-03-22

黄龙（1988—），男，助理工程师，主要从事舰炮及导弹发射装置研究及监造验收研究；李涌（1978—），男，工程师，主要从事舰炮武器系统研究及监造验收研究。