迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计

司志桧，葛建立，杨国来，李志旭

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计

司志桧，葛建立，杨国来，李志旭

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

摘要：针对迫击炮弹丸出炮口时的尾翼颈部折断问题，考虑弹丸前定心部与膛壁的摩擦，建立了迫击炮弹丸与身管耦合系统的有限元模型，对弹丸膛内运动过程进行了仿真计算，得到弹丸起始扰动，以出炮口时刻弹丸起始扰动的位移、角位移和角速度构建优化目标函数，以弹丸与身管配合间隙为设计变量，基于Isight软件提供的多目标优化方法对弹丸起始扰动进行优化设计，得出了相对最优配合间隙值。结果表明，迫击炮弹丸与身管配合间隙对弹丸起始扰动影响显著，优化后出炮口时刻弹丸质心位移、角位移和角速度均明显减小，该结果对迫击炮弹丸与身管的匹配设计具有一定参考价值。

关键词：迫击炮；弹炮耦合；弹丸起始扰动；有限元分析；配合间隙；多目标优化方法

本文引用格式：司志桧，葛建立，杨国来，等.迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计[J].兵器装备工程学报，2016(6):53-56.

Citation format:SI Zhi-hui，GE Jian-li，YANG Guo-lai, et al.Optimization Design of Matching Clearance Between Mortar Projectile and Gun Barrel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):53-56.

弹丸在无膛线火炮身管内运动过程中，弹丸定心部会与身管内壁发生接触碰撞，对身管振动产生激励，同时对弹丸的运动也产生影响。刘宁[1]考虑火炮射击过程中弹丸与身管之间的接触碰撞作用，把身管简化成等截面悬臂梁，建立身管振动方程，通过数值计算，研究了弹管间隙对身管振动的影响。骆连珍[2]以螺旋导轨导旋的多管火箭发射系统为研究对象，建立弹炮耦合运动模型，研究了弹炮间隙对膛内运动姿态的影响。

随着优化设计在工程领域的广泛应用，优化设计方法的不断发展和完善，为火炮的结构设计与研制提供了一种重要手段。孙全兆[3]运用拓扑优化方法找到结构的主传递路径，寻求最佳材料分布，对某火炮上架结构进行了改进设计。葛建立[4]利用随机方向优化算法对自行火炮总体结构参数进行了优化；陈世业[5]以某自行火炮弹丸和炮口扰动为目标，采用多目标优化方法，得出了系统结构参数优化结果；李强[6]建立了某大口径轻型牵引炮弹炮耦合全炮动力学参数化有限元模型，以弹丸起始扰动为优化目标，利用径向基神经网络近似模型方法对弹丸起始扰动进行了优化研究。

国内外文献中，对迫击炮弹丸起始扰动的研究文献较少，并且对于不同弹炮间隙对身管振动和弹丸扰动影响的研究中，并未给出明确的弹炮间隙值。本文针对某迫击炮射击试验过程中，多次出现迫击炮尾翼颈部折断问题，考虑弹丸起始扰动造成弹丸与身管内壁的接触碰撞，导致尾翼颈部受力的变化，弹丸和身管内壁加工误差造成弹炮配合间隙的变化，迫击炮弹丸前定心部与身管内壁的接触碰撞，建立弹炮耦合迫击炮有限元模型，对弹丸膛内运动过程进行仿真计算，以出炮口时刻弹丸质心位移、角位移和角速度为目标，基于多目标优化方法研究不同弹炮配合间隙对弹丸扰动的影响规律，得出相对最优配合间隙值，为迫击炮弹丸与身管的间隙匹配提供参考。

1　迫击炮弹炮耦合有限元模型

1.1基本假设

对弹丸膛内运动力学模型做如下基本假设：

1) 弹丸与身管在发射过程中只发生弹性变形；

2) 忽略弹丸质量偏心；

3) 忽略后效期气流对弹丸的作用。

1.2弹炮耦合有限元网格模型

在对迫击炮系统进行有限元分析之前，要构建合理的有限元模型，主要包括两个步骤：一是对系统各部件进行有限元离散化建模；二是对系统总体有限元模型的建模(包括连接关系、边界条件等)。

1) 网格划分。本文利用Hypermesh软件分别对炮身、座钣、炮架和接触土壤进行网格划分。其中，炮身和土壤均采用实体单元；座钣采用壳单元；炮架主要采用实体单元，部分采用壳单元。利用Abaqus软件建立弹丸三维模型，进行网格划分。其中，弹体和弹尾为实体单元；尾翼片为壳单元。实体单元类型主要为六面体单元，含少量楔形体单元；壳单元类型主要为四边形单元，含少量三角形单元。

建立的有限元网格模型，共有185 402个单元，204 238个节点，各结构材料参数如表1所示。

表1　各结构材料参数

2) 连接关系。炮尾的作用是密闭火药气体，传递发射时的后坐力，炮尾上连身管，下连座钣。身管尾部与炮尾是螺纹固定连接，炮尾通过安放在座钣驻臼内的尾球与座钣形成铰接机构；炮架通过套筒内的缓冲簧和滑块与身管形成滑动连接；迫击炮弹尾翼片与尾管是焊接关系。

本文通过连接单元模拟炮尾与座钣的铰接连接关系；通过共用节点模拟焊接和螺纹固定连接关系，通过面接触模拟身管与套筒的滑动连接关系以及炮架和座钣与土壤的接触关系。

3) 边界条件。本文建立的边界条件是约束土壤模型中底面节点6个方向自由度。

4) 弹丸与身管的接触。利用Abaqus软件，将弹丸网格模型与身管网格模型进行装配，建立弹丸定心部外表面和身管内壁表面以及弹丸尾翼底部与炮尾的面接触，为方便下文模拟弹丸与身管内壁的接触碰撞情况，其有限元网格模型如图1所示。

图1　弹丸与身管接触有限元模型

1.3弹炮耦合全炮动力学有限元模型

迫击炮弹丸在膛内运动时，受到的载荷主要是火炮气体压力、惯性力和摩擦力。利用Abaqus软件分别施加膛底压力和弹底压力，同时施加全炮重力场。计算时间为膛内运动时期的时间(取4 ms)。建立局部坐标系o-xyz，其中以弹丸质心为原点，沿弹丸轴线发射方向为x方向，垂直x轴向下为y方向，右手定则确定z方向。同时在弹丸质心位置建立参考点。建立的弹炮耦合全炮动力学有限元模型如图2所示。

图2　全炮动力学有限元模型

1.4全炮参数化模型

参数化建模[7]是指在输入某些参数值后，实现对设计变量的动态更新，同时自动生成对应的全炮有限元模型。本文选取某迫击炮弹丸与身管配合间隙Δ为设计变量，配合间隙示意图如图3，上文在Abaqus中已对迫击炮弹丸进行三维建模和网格划分并建立全炮动力学有限元模型，这些都记录在Abaqus.bat脚本文件中。利用Isight软件和Python编程工具可以实现对全炮动力学有限元模型的程序进行修改，实现全炮动力学有限元模型的参数化。

图3　弹炮配合间隙示意图

2　配合间隙参数优化

利用上文建立的全炮参数化模型，在确定目标函数和设计变量范围的基础上，选择Isight软件提供的优化算法进行寻优计算，得到优化目标函数的最优解。

2.1多目标优化算法

本文选用多目标优化权重法，在子目标之间进行协调权衡和折衷处理，使各个子目标均尽可能达到最优。权重法多目标优化问题的数学表达式为

(1)

式中：x为可行域；ωi代表权重系数。

2.2配合间隙最小值优化

以某迫击炮在45°射角工况为例，以弹丸与身管配合间隙Δ为设计变量，以弹丸完全出炮口时刻的作为弹丸起始扰动时刻，具体位置示意图如图4。以弹丸起始扰动的y和z方向的位移、角位移和角速度为子目标，多目标优化函数进行加权组合后，目标函数表达式为：

(2)

式中：ω为权重因子，根据前期关于密集度影响因素的灵敏度分析，选择弹丸起始扰动参数的权重，角速度影响最大，即ω5和ω6取值最大，本文取ω5=ω6=0.3；角位移影响次之，即ω3和ω4取值次之，本文取ω3=ω4=0.15；位移影响最小，即ω1和ω2取值最小，本文取ω1=ω2=0.05。s为比例因子，U为弹丸质心位移，UR为弹丸质心角位移，VR为弹丸质心角速度。xl、xu分别为设计变量的取值下限和取值上限。取xl=0.6 mm，xu=0.8 mm[7-8]。

图4　弹丸起始扰动时刻示意图

将上文建立的批处理脚本文件Abaqus.bat，用于在Isight中自动调用Abaqus进行后台运算，与参数化模型Dtd.py输入文件及结果获取程序一起集成到Isight软件中，实现自动循环执行的寻优计算。

2.3参数优化结果分析

弹丸与身管配合间隙值优化后为0.65 mm，优化前初值为0.8 mm。优化前后出炮口时刻弹丸扰动y和z方向的位移、角位移和角速度的对比曲线如图5～图10所示。

图5　弹丸y方向位移

图6　弹丸y方向角位移

图7　弹丸y方向角速度

图8　弹丸z方向位移

图9　弹丸z方向角位移

图10　弹丸z方向角速度

表2列出了优化前后出炮口时刻弹丸起始扰动的计算结果。

表2　优化前后出炮口时刻弹丸扰动计算结果对比

通过表2中数据对比可以看出：

1) 间隙对弹丸起始扰动的影响较大，通过选择合适的弹炮配合间隙可以减小弹丸起始扰动。

2) 优化后的出炮口时刻弹丸起始扰动的位移、角位移和角速度均明显减小，其中y方向角位移减小比率超过75%，y方向角速度减少比率超过60%，z方向位移减小比率超过35%，z方向角速度减小超过55%。

3) 弹丸起始扰动的减小，会降低弹丸与身管内壁的接触碰撞，从而降低尾翼颈部的受力。

3　结论

本文建立了迫击炮弹炮耦合系统有限元模型，选择弹丸与身管配合间隙作为设计变量，选择出炮口时刻弹丸扰动的位移、角位移和角速度为优化目标，利用多目标优化方法进行了优化计算。优化后的弹丸起始扰动，明显下降，为解决“尾翼颈部折断问题”提供了研究思路。本文研究仅对弹丸膛内运动参量的优化进行了初步探讨，为了保证仿真结果的可信度，应补充相应的试验研究，从而使理论和试验研究相结合，使动态仿真与分析在工程设计中发挥作用。

参考文献：

[1]刘宁，杨国来.弹管横向碰撞对身管动力响应的影响[J].弹道学报,2010,22(2):67-70.

[2]骆连珍，曹勇.发射装置振动对火箭弹初始扰动的影响[J].弹箭与制导学报,1998(3):27-31.

[3]孙全兆，杨国来，葛建立.某火炮上架结构改进设计[J].兵工学报,2012,33(11):1281-1285.

[4]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(1):16-19.

[5]陈世业.自行火炮弹炮多体发射系统动力学仿真研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[6]李强，顾克秋，王力.影响弹丸起始扰动的火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[J].火炮发射与控制学报,2014,35(4):39-43.

[7]楚志远，杨国来，陈运生.自行火炮有限元参数化建模方法[J].南京理工大学学报,2002,26(2):120-122.

[8]唐治.迫击炮设计[M].北京：兵器工业出版社，1994:47-50.

(责任编辑周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.012

收稿日期：2015-12-20；修回日期：2016-01-25

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ47076508)

作者简介：司志桧(1989—)，男，硕士研究生，主要从事非线性有限元仿真研究。 通讯作者：葛建立(1980—)，男，博士，副教授，主要从事有限元、火炮虚拟样机以及几何分析研究。

中图分类号：TJ31

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0053-05

Optimization Design of Matching Clearance Between Mortar Projectile and Gun Barrel

SI Zhi-hui，GE Jian-li，YANG Guo-lai, LI Zhi-xu

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094，China)

Abstract:Aiming at solving the problem of mortar projcetile’stail after launching, a finite element model of projectile and gun barrel’s coupling systems considering the projectile-centering’s contact collision with gun barrel was established. The dynamic process of the projectile travelling through the gun barrel was simulated, and the initial disturbance of the projectile was obtained. An optimization function of the projectile’s displacement, angular displacement and angular velocity was defined, and the clearance dimensions between the mortar projectile and gun barrel were considered as design variables. The optimal fit clearance value was obtained by the multi-objective optimization method available in Isight software. The results show that the clearance values have a significant effect on the initial disturbance of the projectile, and the optimized displacement, angular displacement and angular velocity have been markedly reduced. This work provides a practical guide for the matching design of the mortar projectile and gun barrel.

Key words:mortar; gun and bomb coupling; initial disturbance of projectile; finite element analysis; space between projectile and gun barrel; multi-objective optimization