后坐体结构参量对弹丸起始扰动的影响

景鹏渊，顾克秋

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

【装备理论与装备技术】

后坐体结构参量对弹丸起始扰动的影响

景鹏渊，顾克秋

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

建立轻型火炮弹炮耦合有限元动力学模型，采用控制单一变量变化的方法，研究后坐体质量、质心位置、动力偶臂变化对弹丸起始扰动的影响。通过动力学计算，减小炮口制退器质量和动力偶臂以及保证后坐体质心位于前后支点之间对降低弹丸起始扰动是有利的，为轻型火炮后坐体结构参量合理匹配提供参考。

后坐体；质量；质心；动力偶臂；弹丸起始扰动

火炮是一种身管射击武器，弹丸受膛压作用在膛内运动并获得一定的初速，同时使后坐体轴向运动。由于弹丸在膛内与身管膛线的耦合作用，后坐体结构参量必然对弹丸起始扰动产生影响。弹丸起始扰动是影响火炮射击密集度的重要因素，由出炮口时刻的角位移、角速度构成，降低弹丸起始扰动对提高射击密集度是有利的。

目前，通过多柔体系统动力学或者结构动力学有限元模型研究后坐体结构参量对炮口振动影响的文献较多，研究后坐体结构参量对弹丸起始扰动影响的文献相对较少。梁传建等[1]建立了某大口径火炮上装部分有限元动力学模型，以降低炮口振动为目标，利用遗传算法进行火炮总体结构参数动力学优化；蔡文勇等[2]建立某车载炮多柔体系统动力学模型，研究了动力偶臂、导轨间隙等结构参量对炮口振动的影响；李睿[3]建立后坐运动微分方程和内弹道方程，对后坐体质量估算值进行调整与优化，使后坐长、后坐速度等运动性能满足指标要求。

本文通过建立某大口径轻型火炮弹炮耦合有限元动力学模型，研究火炮设计工作中比较重要的一些后坐体结构参量，对弹丸起始扰动的影响规律，为后坐体结构参量合理匹配提供一定的参考。

1 弹炮耦合有限元动力学模型

1.1 基本假设

在火炮发射过程中，膛内时期弹丸与膛线之间的相互作用机理十分复杂。未发射前弹丸与身管装配关系如图1所示。在构建弹炮耦合有限元动力学模型时作以下基本假设[4-5]：

1) 不考虑弹丸挤进过程，即弹带已预先切割出刻痕并已完全挤入膛线；

2) 不考虑火药燃气高温的影响；

3) 考虑弹丸前定心部与身管内壁阳线的间隙的影响；

4) 考虑重力的影响，即考虑身管预弯。

图1 弹丸与身管耦合关系

1.2 后坐体建模策略

后坐体可以视为由炮尾部分、身管及炮口制退器三部分构成，其中炮尾部分包括炮尾、炮闩和参与后坐运动的部分反后坐装置。

质点系质量分布中心位置即为质点系的质心，仅与各质点的大小和分布的相对位置有关，假设质点系由n个质点组成，质量分别为m1,m2,…,mn，其质心相对于固定坐标系的矢径分别为r1,r2,…,rn，则质点系的质心矢径rσ为：

(1)

将构件的质量通过集中质量代换，并且使代换质量与原有质量在动力学上等效，称为质量代换[6]。因此，通过调整各部分质量属性即可以实现对后坐体质量、质心位置的控制。

当有限元模型中某些部分的变形可以忽略不计或者对结果影响较小时，将其视为刚体可以有效提高计算效率和简化模型，并且不会影响整体计算结果[7]。本文着重研究后坐体结构参量对弹丸起始扰动的影响，在发射过程中炮尾部分、炮口制退器的变形忽略不计。因此，将炮尾部分、炮口制退器作为刚体处理，带膛线的身管则运用Hypermesh软件划分网格作为柔体处理，通过将炮尾部分、炮口制退器与身管对应位置的节点耦合构成完整的后坐体。

1.3 弹炮耦合全炮有限元动力学模型

某大口径轻型火炮由后坐体、反后坐装置、摇架、高平机、上架、座圈、下架、前大架和后大架等组成。

在建立弹炮耦合有限元动力学模型时，后坐体采用前文所述的刚柔耦合，架体部分采用壳单元模拟，各部件之间的相互作用关系通过建立接触与连接器单元实现。复进机、制退机通过有限元软件二次开发调用所编写的用户子程序加载；高平机通过等效刚度的单轴连接器模拟；座圈之间的连接关系简化为六自由度等效刚度连接器；土壤采用摩尔-库伦模型，下架与土壤建立接触关系，前大架、后大架与土壤的作用关系通过质量-弹簧-阻尼集中参数模型模拟；将土壤和地面参考点完全约束。

通过隐式求解器获得重力场下的初始发射状态即考虑了身管预弯现象，再利用显式求解器对发射过程进行求解。发射过程中在弹底与身管内膛上分别施加弹底压力、坡膛压力和膛底压力；弹炮耦合全炮有限元动力学模型如图2所示。

本文选取装药条件为底凹弹、高温，选取该轻型火炮的最大射程角状态，即射角48°/方向角0°的射击工况进行动力学仿真计算。对后坐部分规定局部坐标系，与身管轴线重合的坐标轴为x轴，其正方向为炮口方向，与身管轴向垂直且向上为y轴正方向，z轴方向根据右手定则确定。

图2 弹炮耦合全炮有限元模型

2 后坐体结构参量对弹丸起始扰动的影响

2.1 弹丸起始扰动评价函数

选用弹丸起始扰动参量变化表征轻型火炮的射击密集度，弹丸起始扰动参量由弹丸出炮口时刻的弹丸质心在俯仰、回转方向的角位移、角速度构成，采用线性加权和归一化方法处理，构造针对弹丸起始扰动的评价函数[4-5]：

(2)

式(2)中:θz、θy为弹丸在俯仰方向和回转方向的角位移；ωz、ωy为弹丸在俯仰方向和回转方向的角速度；θz0、ωz0、θy0、ωy0取后坐体结构参量为原始总体方案时相对应的弹丸起始扰动参量，显然，原始总体方案的弹丸起始扰动评价函数值f=1.00；c1～c4为加权系数，其值之和为1，根据以往经验及相关文献介绍，一般取值为c1=c2=0.3，c3=c4=0.2。

本文采用控制单一变量变化的试验枚举法研究后坐体机构参量对弹丸起始扰动的影响，即改变某一部分的某个结构参量时，其他结构参量不变。

2.2 炮口制退器质量的影响

炮口制退器是炮身的重要组成部分，其结构在上下、左右方向具有对称性。因此，本文以质量系数MPK表示仿真炮口制退器质量与真实炮口制退器质量的比值，着重研究炮口制退器质量变化对弹丸起始扰动的影响。

基于前文所述弹炮耦合全炮有限元动力学模型，修改炮口制退器质量，分别进行动力学计算。计算结果如表1所示，绘制炮口制退器质量系数MPK与弹丸起始扰动评价函数f值的曲线如图3所示。

表1 炮口制退器质量系数变化的影响

图3 炮口制退器质量系数变化对弹丸起始扰动的影响

根据表1和图3可以看出：当炮口制退器质量减小时，弹丸起始扰动总体上呈现减小的趋势。因此，在进行火炮总体设计时，从降低弹丸起始扰动的角度分析，较小的炮口制退器质量对降低弹丸起始扰动是有利的。

2.3 炮尾部分质量及动力偶臂的影响

炮尾部分是后坐体中结构较为复杂且质量较大的一部分，其质量的变化对后坐体质量、质心位置有较大的影响[8]。

对于轻型火炮而言，如何实现轻量化设计并且充分挖掘减重空间是非常重要的。炮尾部分质量在后坐体中占有较大比值，其质量变化对火炮性能的影响值得研究。

动力偶臂是影响火炮性能的重要参数，炮尾部分质量在后坐体中占有较大比值，并且其结构较为复杂，可以通过调整其质心在上下方向的位置实现对后坐体动力偶臂的调整[9]；由于本文所研究的轻型火炮采用反后坐装置上下布置的方式，其后坐体具有左右对称的特征，因此对后坐体质心位置在左右方向的变化不做研究。

研究炮尾部分质量属性对弹丸起始扰动的影响主要集中在如下两个方面：炮尾部分质量变化、炮尾部分质心位置上下变化导致的动力偶臂变化。

在弹炮耦合全炮有限元动力学模型中仅仅改变炮尾部分质量，通过动力学计算，以质量系数MPW表示仿真炮尾部分质量与真实炮尾部分质量的比值，得到弹丸起始扰动随质量系数MPW变化的计算结果如表2所示，绘制炮尾部分质量系数MPW与弹丸起始扰动评价函数f的曲线如图4所示。

表2 炮尾部分质量系数变化的影响

图4 炮尾部分质量系数变化对弹丸起始扰动的影响

根据表2和图4可以看出：增加炮尾部分的质量，弹丸的起始扰动随之减小；另一方面，减小炮尾部分的质量，弹丸的起始扰动增幅并不明显。由此可见，对于该型火炮，炮尾部分存在一定的减重余地。

仅仅在上下方向移动炮尾部分质心，从而在保证后坐体质量不变的前提下改变后坐体质心的偏心距，即改变动力偶臂。通过动力学计算，弹丸起始扰动评价函数f值随动力偶臂e值变化的计算结果如表3所示，绘制动力偶臂e值变化与弹丸起始扰动评价函数f值的曲线如图5所示。

表3 动力偶臂变化的影响

图5 动力偶臂对弹丸起始扰动影响

根据表3和图5可以看出：一方面，当后坐体的动力偶臂变在10 mm之内变化时，弹丸起始扰动变化范围不大；另一方面，当动力偶臂e值较小时弹丸起始扰动相对较小。

当前的总体方案中，各部分质量、质心位置通过匹配确定动力偶臂e=0.1 mm，在所研究的动力偶臂样本方案中的弹丸起始扰动最小。因此，在进行火炮总体方案布局时，减小动力偶臂e值是降低弹丸起始扰动的重要方法。

2.4 后坐体质心前后变化的影响

为保证射击稳定性，轻型火炮在设计时，质量分配系数(后坐体质量与全炮质量的比值)相对较高，一般为0.5～0.55，并且在总体布局上具有全炮质心前移的特点[11]。摇架前套箍作为支撑身管的重要结构，不仅关系到架体结构是否紧凑，而且前支点与后坐体质心的相对位置关系对火炮射击密集度的影响也需要重点考虑。

在不改变摇架、身管结构的前提下，通过匹配其余部分的质量，保证后坐体质量不变，质心位置仅在前后方向移动。计算结果如表4所示，绘制后坐体质心前后变化与弹丸起始扰动评价函数f值的曲线如图6所示，图6中横坐标的实际意义是指后坐体质心相对于前套箍位置在前后方向(x轴方向)的距离。

表4 后坐体质心前后变化的影响

根据表4和图6可以看出：在不影响架体布局的前提下，控制后坐体质量不变，当后坐体质心位于前支点之前时，由于后坐过程中摇架支撑后坐体的方式会发生变化，滑块与导轨、身管与前套箍的接触状态随之发生变化，弹丸起始扰动相对较大；当后坐体质心位于前后支点之间时，弹丸起始扰动随后坐体质心后移而呈现减小的趋势。

在考虑火炮总体布置时，保证后坐体质心落在身管前后支撑点之间，能降低弹丸起始扰动，有利于提高火炮设计密集度，这与传统设计经验一致[2,10]。

图6 后坐体质心前后变化对弹丸起始扰动的影响

3 结论

1) 炮口制退器质量较小对降低弹丸起始扰动有利；

2) 减小动力偶臂e值对降低弹丸起始扰动非常重要；

3) 在进行火炮总体方案设计时，应尽量保证后坐体质心位置落在前后支点之间，避免后坐体质心位置位于前支点之前，这样有利于降低弹丸起始扰动。

4) 研究结果对面向射击密集度的轻型火炮总体设计具有一定的参考价值。

[1] 梁传建，杨国来，王晓峰.基于神经网络和遗传算法的火炮结构动力学优化[J].兵工学报，2016(5)：789-794.

[2] 蔡文勇，陈运生，杨国来.车载火炮炮口扰动影响因素分析[J].南京理工大学学报,2005(6)：658-661.

[3] 李睿.管退式自动机的后坐体质量优化计算方法[J].兵器装备工程学报,2014(5)：36-38.

[4] 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(4)：39-43.

[5] 刘成柱，顾克秋，张鑫磊.某车载炮上架刚度对弹丸起始扰动的影响[J].兵器装备工程学报,2016(6)：24-28.

[6] 张策.机械动力学[M].2版.北京：高等教育出版社,2008.

[7] 庄茁，由小川，廖剑晖，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社,2009.

[8] 潘玉田.炮身设计[M].北京：兵器工业出版社,2007.

[9] 李凯.动力偶臂测量研究[D].长春：长春理工大学,2009.

[10]王宝元.中大口径火炮射击密集度研究综述[J].火炮发射与控制学报,2015(2)：82-87.

[11]张景华，余英，康瑞霞.大口径轻型火炮关键技术[J].火炮发射与控制学报,2010(1)：89-92.

(责任编辑 周江川)

Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance

JING Peng-yuan，GU Ke-qiu

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

A dynamical finite element model based on projectile-barrel coupling was established for a large caliber gun, and the recoilingparts includes breech parts, tube and break. By solving the finite element model with different structure parameters of recoiling parts, the impact of mass, mass center and couple arm on initial projectile disturbance could be identified. Through the dynamics calculation, it reduced the muzzle brake power and ensured the quality and the dipole arm and the projectile initial disturbance between the recoil in the pivot centroid is favorable. This research has the reference significance for the reasonable matching the structure parameters of recoiling parts.

recoiling part; mass; mass center; couple arm; initial projectile disturbance

2016-11-01；

2016-11-15

武器装备重点预先研究项目(40404050401)

景鹏渊(1992—)，男，硕士研究生，主要从事结构动力学及有限元分析研究;顾克秋(1963—)，男，教授，主要从事火炮总体设计及发射动力学研究。

10.11809/scbgxb2017.02.013

景鹏渊，顾克秋.后坐体结构参量对弹丸起始扰动的影响[J].兵器装备工程学报，2017(2):53-56.

format:JING Peng-yuan，GU Ke-qiu.Impact of Structure Parameter of Recoilingparts on the Initial Projectile Disturbance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):53-56.

TJ302

A

2096-2304(2017)02-0053-04