基于仿真设计的坦克炮发射动力学研究

余　泽

（65426部队装甲装备科，150080）

基于仿真设计的坦克炮发射动力学研究

余泽

（65426部队装甲装备科，150080）

本文首先分析了坦克炮发射全过程动力学仿真技术，并通过运用计算机仿真技术，构建了坦克炮发生全过程的各种模型，以此为坦克炮设计人员运用计算机对坦克炮的核心心梗进行分析，就设计方案予以修改与确定，以及我国后续装甲装备的评估、论证与研制，提供了全面、科学且多元的技术途径与科学方法。

坦克炮；仿真设计；发射动力学

经诸多研究及实验可知，炮口扰动乃是对坦克炮射击精度造成影响的关键因素。当坦克炮在发射过程中，结构相应弹性变形较大影响着炮口扰动，尤其是身管受到弹丸作用力、高温高压火药气体压力以及自身重力等方面的共同作用，就会形成十分显著的弯曲振动及弹性变形。而身管所存在的柔性特性，则会对射击过程当中炮口扰动的具体幅度造成影响，进而对火炮射击精度造成影响，若采用多刚体模型，则难以对身管的此种弹性特性进行模拟。所以在坦克射击时，对其展开细致化的动力学仿真，需将身管弹性特性考虑其中，构建坦克炮具体的刚柔耦合动力学模型。此乃将此目标达成的重要方法。

1　以ANSYS为基础的坦克炮身管模态

1.1构建身管有限元模型

身管有限元模型乃是对身管模态分析予以构建的基础，基于三维建模软件Pro/E当中，通过对身管三维实体模型的构建，然后把实体模型完成在ANSYS有限元软件中的导入工作。在ANSYS当中，对身管材料的属性进行定义，运用实体单元，于摇架与身管相应接触面，增加一定的约束，并网络化划分身管模型，最终便可建立身管的有限元模型。完成划分之后，则有限元模型共有单元数9382个，节点数13523个。

1.2得出身管模态参数

基于有限元模型，可选用模态分析类型，运用Boock Lanczos模态提取法，求解模态。因为高阶模态几乎不会对振动系统造成影响，因此，只需将前10阶模态予以提取，表1为身管各个阶模态频率及经计算所得出的振动周期。

身管1，3，5阶模态振型，均与横向的变形相接近；而2，4，6阶模态振型，则与纵向变形接近。在知道身管各种激励状况下，通过分析身管模态参数，可以为防止出现身管共振现象，提供更加全面的参考依据。此外，如若知道各种弹丸与出跑瞬间所需时间，则可优化身管约束模态相应振动周期，促使弹丸出炮口具有最小的瞬间身管振动峰值，进而实现射击精度的提升。

表1　某型坦克炮身管前10阶约束模态的频率

2　以ANSYS为基础的坦克仿真模型的构建

2.1构建坦克整车多刚体模型

（1）构建坦克底盘部分多刚体模型。ATV作为以ADAMS为基础的履带车辆仿真模块，对于坦克的底盘部分而言，其便是以ATV模块为基础得以构建的。ATV建立的基础便是一个庞大的数据库系统，其不仅将各种履带车辆的模型予以提供，且在模型当中，已经假定了各物体的连接特性、质量特性及尺寸等。当构建模型时，秩序从数据库当中完成数据的调出，依据坦克结构所具有的几何尺寸及实际连接关系，开展相应修改，然后将修改之后所得出的数据，重新输入至数据库，ATV便会将底盘部分多刚体模型相应构建工作自动完成。底盘部分的动力学模型。（2）构建坦克武器系统部分的多刚体模型。首先，通过运用Pro/E软件，将反后坐装置、炮身、摇架及炮塔等三维实体模型予以构建；其次，利用接口程序Mechanisn/Pro，在ADAMS中完成实体模型相应导入工作，而在其中将载荷及约束完成添加，使之成为一个完整的动力学模型。把构建的武器系统部分多刚体模型与底盘部分多刚体模型，完成后续的组装你工作。此模型运动机件为245个，平面副2个，滑移副2个，旋转副38个，圆柱副2个，自由度1223个，约束方程251个。

2.2构建坦克整车刚柔耦合模型

基于身管有限元模型，于约束处构建外界节点，并对身管施加一定的载荷，然后运用此刚性区域，对此节点于周围相应节点进行处理。如果此处没有节点，则需另外构建关键点，并对其实施网格划分，进而得出节点。在对外部节点选择过程中，将身管质量、载荷信息、振型、频率及转动惯量的模态中性文件予以输出，并于坦克整车刚体模型当中，对模态中性文件进行读取，并用柔性化身管代替刚性化身管，最终变得获取整车相应刚柔耦合模型。

3　仿真计算及结果

常温穿甲弹射击、方向射角0°、高低射角0°及主动轮制动，乃为模型仿真计算所持有的边界条件。可知，在条件相同情况下，坦克炮后坐速度与后坐位移，所得出的仿真计算结果与试验测试值之间的比较情况，可知二者在一致性上较好。

通过试验与仿真，便可得到的最大后坐速度V max及最大后坐位移Smax，另外，还可得到二者之间相对温差，见表2。两者相对误差为1.1%、1.8%，由此可知，明坦克整车刚柔耦合模型所得出的试验值及仿真结果在一致性上较好。

表2　最大后坐速度与最大后坐位移测试值与仿真值

对于炮口动态响应而言，则选取弹丸线速度及出炮口瞬间炮口垂向振动线位移作为开展研究的具体对象。通过分析1.2节模态振型图可知，在整个坦克整车刚柔耦合模型当中，将对仿真运动造成最小影响的模态予以关闭，并对坦克炮刚柔耦合模型相应设计过程进行仿真，另外，对多刚体动力学模型进行仿真处理，可得出，在条件相同的情况下，多刚体模型及刚柔耦合模型在炮口点线速度与垂向振动线位移比较的情况。为便于二者对比，特选用多刚体模型及刚柔耦合模型，针对炮口点垂向振动曲线相应起始点，对其实施平移，使其至于原点。现实上，多刚体模型炮口点垂直方向所具有的初始位移是-0.0513m，刚柔耦合模型则为-0.0637m，此种差异造成因素为身管的弹性变形。

刚柔耦合模型在垂向振动线在位移方面所具有的最大变化量是0.0298m，多刚体模型为0.204m，二者相比增加幅度达0.0528m，其与现实情况相应趋势相一致。刚柔耦合模型在具体的垂向振动频率方面，相比于刚体模型，要明显小于后者，究其原因，主要是柔性体阻尼起到了一定作用，至此，刚柔耦合模型能够对现实结构对炮口扰动所造成的影响给予反应，将身管的柔性特性考虑其中，可促进坦克炮在射击当中相应动态仿真精度的显著提高。

3　结语

采用计算机坦克火炮发射的全过程进行仿真，其最终仿真结果十分接近于实际情况，可对坦克性能进行定量与系统评价。通过获取某型坦克身管前10阶振动模态的振型及固有频率，所得结果便可为坦克炮动态结构优化设计及响应分析提供可靠依据。最终结果可知，将身管的柔性特性相应刚柔耦合模型考虑其中，可实现坦克炮射击过程的动态仿真精度的有效提升。

［1］郑晓明.美国高校大学生就业指导工作评析［J］. 外国教育研究， 2004（2）：26-28.

［2］肖池平，张小青.论大学生就业指导课程体系的全程化构建［J］.黑龙江高教研究， 2007（2）：73-74.

［3］余新丽，刘建新.基于就业能力的大学生就业指导效果的实证研究［J］.教育科学， 2006， 22（6）：76-79.

Kinetics emission gun simulation-based design of the tank

Yu Ze
（65426 troops Armored Equipment Division，150080）

This paper analyzes the tank gun fired the whole process of dynamic simulation technology，and through the use of computer simulation technology，the models constructed tank gun the whole process occurs，as a tank gun designers use computer core heart tank gun Terrier analyzed，be modified and determination，as well as follow-up assessment of armored equipment，demonstration and research program on the design，provides a comprehensive，scientific and technical approach and diverse scientific methods.

tank gun；simulation design；emission kinetics