某微后坐力转膛自动炮动力学分析

韩如锋，张国平，李　勇，王茂林

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)



某微后坐力转膛自动炮动力学分析

韩如锋，张国平，李勇，王茂林

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

以某微后坐力转膛自动炮为研究对象，在分析其结构特点及工作原理的基础上，考虑喷管推力、机构之间的运动阻力及碰撞等因素，应用动力学仿真软件RecurDyn建立了该自动炮的虚拟样机模型，并对其2个射击循环进行了动力学仿真，获得了自动炮后坐与复进过程中的机构运动特征数据，仿真计算结果与试验测试结果较为吻合，验证了所建虚拟样机的正确性和有效性，在此基础上，研究了转膛体转动惯量对滑板运动的影响规律，结果表明转膛体转动惯量的变化对滑板运动特性影响较小。仿真模型与结果可对该炮参数优化及结构改进提供理论参考依据。

微后坐力；转膛自动炮；动力学；虚拟样机；仿真

某微后坐力转膛自动炮基于膨胀波发射原理，可在不降低弹丸初速的情况下大幅减小火炮后坐能量，是火炮发射技术领域较有创新性和突破性的新技术之一。目前，对转膛自动炮的动力学研究主要集中在炮箱、主动滑板等重要部件的运动规律及动力学特性方面，运用经典力学方法或虚拟仿真方法，考虑机构运动过程中构件之间的运动阻力、撞击等因素，得到了较为满意的结果[1-6]。而针对膨胀波发射原理的转膛自动炮动力学特性研究的相关文献较少，其突出特点在于打开喷孔后膛内压力急剧下降，减小了大部分后坐能量，同时后喷的气流会产生反推力，作用于喷管端面。对于喷孔打开后的膛压可通过解算成熟的膨胀波火炮内弹道方程组获取，对于喷管推力，多采用三维、可压缩、非定常的N-S方程作为控制方程进行建模解算，过程较为复杂。

笔者在转膛自动炮动力学模型基础上，采用无后坐力炮的喷管推力模型，即一维、等熵假设下的喷管推力模型，来考虑该自动炮火药燃气后喷产生的喷管推力，运用RecurDyn建立某微后坐力转膛自动炮的虚拟样机，通过仿真计算来研究该自动炮的动力学特性。

1　自动炮结构特点及工作原理

微后坐力转膛自动炮主要由身管、炮箱、转膛体、抽壳机构、输弹滑板、炮口制退器、缓冲器、转膛滑板、输弹滑筒及输弹簧、换向器、喷管和扣机等组成，如图1所示。

该自动炮采用膨胀波发射原理，有效降低后坐

力。击发后，弹丸在火药气体作用下向炮口方向运动，在某时刻打开炮尾，火药燃气开始后喷，产生喷管推力，抵消部分后坐能量，继而弹丸底部越过导气孔，从膛内导出的火药气体驱动转膛滑板运动，依次完成开闩、抽壳、抛壳、挂机、解脱扣机、推弹、闭锁、击发以及供弹等机构动作。

2　虚拟样机建立

2.1模型的简化与假设

根据该微后坐力转膛自动炮的结构特点和射击循环过程中的运动规律，在不影响虚拟样机合理性的前提下，作如下简化与假设[7]：

1) 忽略小零部件的影响，其质量添加到相应的部件上。

2) 除弹簧外其他构件作为刚体处理。

3) 自动炮摇架与大地固定。

2.2约束关系

某微后坐力转膛自动炮部件之间运动关系交叉较多，为了便于分析，把运动关系一致的部件合并[8]。如炮口制退器、身管、扣机、喷管等与炮箱合并为同一刚体；转膛体、转膛衬套、滚轮和支承轴合并为同一刚体；活塞杆、转膛滑板、输弹滑筒、输弹滑板合并为同一刚体；将抽壳机构、换向器、缓冲器单独定义为刚体。

炮箱与摇架建立滑动副；滑板与炮箱以输弹簧相连接，以滑动副方式在炮箱滑轨上移动；转膛体通过转膛轴与炮箱以转动副形式连接，绕转膛轴转动，同时转膛体上的滚轮与滑板的曲线槽以接触的形式相连；换向器以转动副在滑板上转动，并且与换向器曲线槽以接触的形式连接；抽壳机构与滑板及炮箱均以滑动副相连；缓冲器与摇架及炮箱以缓冲簧形式相连。按以上分析，其约束关系如表1所示。

表1　约束关系图

2.3连发射击的控制策略

连发仿真的关键问题是：对同一条载荷曲线，自动炮每发射击循环结束后能够自动加载[5]。

RecurDyn软件提供了Sensor(传感器)功能，传感器能感知事件的发生并返回其自身值。建立一个传感器记录下滑板复进到位的时间，传感器表达形式如下：

Sensor/id，value=x，equal，

fuction=dx(a，b) evaluate=time

其中：a表示滑板上的转膛体定位凸台前端面中心处mark点的id号；b表示炮箱上的转膛体定位凹槽前端面中心处mark点的id号；x定义为滑板复进到位时a和b两个mark点之间的距离，此处定义为不大于1 mm，即滑板复进到位时触发传感器；Event Evaluation：time，返回传感器触发时的时刻，即SenvalOnTime(Sensor)=time。

连发载荷可以方便的定义为

Sforce/id function=AKISPL(time-SenvalOnTime(m)，0，n，0)其中：m表示传感器的id号；n表示载荷曲线的id号。

2.4施加载荷

在射击过程中，该自动炮主要受到炮膛合力、导气室作用力、喷管推力、弹簧力、液压阻力和摩擦力等的作用。笔者只对导气室作用力、喷管推力、缓冲器液压阻力以及碰撞问题进行阐述。

2.4.1导气室作用力Fpq

导气式自动炮是利用气室内的火药气体压力驱动主动件运动的。根据布拉文经验公式[2,5,9-10]，在RecurDyn中，导气室火药气体作用力Fpq表达式为

if(time-t1-SenvalOnTime(m)：0，0，P*S*EXP(-(time-t1-SenvalOnTime(m))/b)*(1-EXP(-a*(time-t1-SenvalOnTime(m))/b))

其中：P为弹头经过导气孔时膛内平均压力；b为与膛内压力冲量有关的时间系数；a为与导气装置结构参数有关的系数；t1为火药气体进入气室的时间；S为导气室活塞面积；m为传感器的id号。

仿真时导气室火药气体作用力以一个集中力形式等效，施加于活塞端面与炮箱气室前端面。

2.4.2喷管推力Fpc

该微后坐力转膛自动炮在射击过程中有大量火药气体从喷管中喷出，产生喷管推力，在一维等熵流动条件下，喷管推力可以由式(1)求得[9]。

(1)

式中：CF为喷管推力系数；Sj为喷管喉管面积；p为受力时刻膛内平均压力；γ为燃气比热值，取1.29；Pa为大气压力；ξe2为喷张比；Ma为马赫数，取4。

由式(1)获得喷管推力的数值解，绘制喷管推力随时间变化的曲线，如图2所示。

喷管推力的施加方法与导气室作用力的施加方法一致，同样是通过一个集中力形式施加于喷管端面。

2.4.3缓冲器液压阻力Fyz

后坐时，液压阻力为[1]

(2)

复进时，液压阻力为[1]

(3)

式中，K2为复进时液压阻力系数。

液压缓冲器后坐复进过程的液压阻力是一个关于后坐速度的分段函数，在RecurDyn中液压阻力的施加方法是：利用速度函数提取出炮箱速度V，利用状态条件判断函数IF函数，液压阻力的表达形式如下：

IF(V: -Fyz2，0，Fyz1)

2.4.4碰撞问题

模型中多数机构的运动关系传递是通过碰撞实现的。RecurDyn通过合理定义接触来考虑碰撞问题，其通过检验几何外形来判断是否发生接触，在发生接触的状态下，根据穿透深度及其变化来计算接触力，其计算公式基于改进的Hertz接触理论：

(4)

2.5虚拟样机

根据自动炮结构特点与运动关系进行适当简化，建立的虚拟样机在RecurDyn/View窗口下的模型如图3所示。

3　虚拟样机仿真分析

建立的虚拟样机主要用于分析自动炮的工作循环，由于炮弹入膛过程不影响自动炮的工作循环，所以没有考虑炮弹入膛时复杂的弹带挤进过程, 对于炮弹入膛的可靠性以惯性输弹阶段时炮弹相对于炮膛的速度来考察[10]。对自动炮0°射角射击时的2个工作循环进行动力学仿真，获取自动炮关键运动部件动力学参数，其中炮箱及滑板位移曲线如图4、5所示。

通过与靶场试验测试结果对比，可以看出：炮箱、滑板的位移仿真曲线及实测曲线趋势一致，数值接近，表明虚拟样机与实际情况较为吻合，同时说明了所建喷管推力模型的合理性。

基于上述虚拟样机模型，对转膛体3种不同的转动惯量(J1=0.047 kg·m2，J2=0.037 kg·m2，J3=0.027 kg·m2，J1>J2>J3)作进一步对比仿真分析，获得的滑板后坐速度曲线如图6所示。结果表明：随着转膛体转动惯量的增大，滑板后坐速度趋于平缓，后坐时间相应增加，影响自动炮的射速，所以转膛体在满足刚强度的情况下，结构尺寸要尽可能小[6]，有利于提高该微后坐力转膛自动炮的射速。

4　结束语

笔者建立了某微后坐力转膛自动炮虚拟样机模型，仿真获得了其关键部件动力学特性参数，以靶场射击测试得到的炮箱及滑板位移为例，将仿真曲线与试验测试曲线对比，两者趋势相似，特征点数值误差较小，验证了所建虚拟样机的正确性和有效性，在此基础上研究了转膛体转动惯量对滑板运动特性影响，得出转膛体在满足刚强度的情况下，结构尺寸要尽可能小的结论。仿真模型与结果可为该自动炮的进一步参数优化和结构改进提供理论参考依据。

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Dynamics Simulation Analysis of a Certain Recoil Force Revolver-type Automatic Gun

HAN Rufeng, ZHANG Guoping, LI Yong, WANG Maolin

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

With the recoil force revolver-type automatic gun as the study object, based on an analysis is made of the structural characteristics and working principle, considered are the force by jet gas and mechanism friction and impact when the dynamics model of this gun was established based on dynamic simulation software (RecurDyn). The model was then used to simulate two firing cycles of the gun with the movement curves and dynamic characteristics data of automatic gun in recoil and counter-recoil course obtained with simulating computation. The compatibility of the simulation and experimental results verifies the correctness and feasibility of this model. Based on this, study is made of the influential patterns of the model, which changes with different revolver moment of inertia. The simulation results show that the change of the revolver moment of inertia does not exert an obvious effect on the slider dynamic characteristics. The model can provide a theoretical foundation for further parametrical and structural optimization of this gun.

low recoil force；revolver-type automatic gun；dynamics；virtual prototype；simulation

2015-08-04

韩如锋(1988—)，男，硕士研究生，主要从事火炮自动机技术研究。E-mail：laohanjushi@126.com

TJ392

A

1673-6524(2016)01-0027-05