考虑土体和方向角的某火炮0°射角动态特性分析

曹广群，刘树华，范林盛，李太阳，方东旭

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中国兵器工业第208研究所，北京 102202)

考虑土体和方向角的某火炮0°射角动态特性分析

曹广群1，刘树华1，范林盛1，李太阳1，方东旭2

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原030051；2.中国兵器工业第208研究所，北京102202)

为了研究土壤材料和方向角对轻型榴弹炮发射动态特性的影响，通过将榴弹炮放置在两种不同材料的土壤上进行有限元建模，在不同方向角下进行全炮瞬态动力学分析，得到了全炮的后坐运动特性、炮口振动特性和前座盘跳高，仿真结果为方向角和土壤材料对于牵引榴弹炮的动态特性的影响提供了重要的参考。

牵引榴弹炮；有限元；土体；方向角；瞬态动力学

火炮是一个复杂的系统，在发射过程中，瞬态载荷对结构冲击大，导致结构部件出现大位移和大变形，以及部件间的摩擦碰撞等非线性行为，这给火炮研制增加了不少困难。随着现代科学技术的发展和提高产品性能的需要，火炮产品的开发已进入系统仿真设计阶段。其中有限元法在仿真分析中具有广泛的应用，能为产品的设计提供方便。

瞬态动力学分析，亦称时间历程分析，是用于确定承受任意时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法。对于轻型火炮研究来说，在结构设计阶段对全炮的瞬态响应和动态特征进行仿真分析，对提高火炮结构的合理性和系统总体的性能有着一定的意义[1]。

1 全炮有限元模型的建立

1.1几何模型的简化及网格的划分

火炮系统的结构复杂，零部件众多，在对其进行有限元建模过程中需要对几何模型进行简化，去除不必要的、对分析结果影响不大或体积小的零部件，减小有限元模型的规模，缩短仿真计算的时间。

由于主要研究的是全炮的发射动力学特性，在模型简化时可以对原有的结构进行合理的变换和处理，将复杂的几何特征在不影响结构刚强度的基础上做适当的简化，具体的简化处理包括以下几个方面：将结构复杂的炮闩、炮尾及身管合并为一体；将炮口制退器简化为圆筒，与身管连接；将制退机的制退筒与节制杆合并为一体，与炮尾连接；将制退杆与活塞合并为一体，与摇架连接；将复进机的结构简化为外筒和内筒，分别与炮尾、摇架连接；忽略瞄准器具和方向机，高低机只保留高低齿轮、齿弧；将耳轴与上架合并为一体，与耳轴连接的轴承简化为圆环柱体；将轮胎及连接臂简化为其质心位置的质点；将无限的大地简化为几个大型的土块，分别与前支腿和驻锄作用。

把简化后的全炮几何模型保存为X_T格式的文件，并将其导入到ANSYSWorkbench中，以便划分网格。主要采用切分组合的方法来对某些特殊零部件进行网格划分，使其能够利用扫掠或六面体域法来生成六面体网格[2]。

1.2各零部件的连接关系

在Workbench中，各零部件的连接关系主要通过关节连接(joints)和接触关系(contacts)来实现。

一些关键的连接：炮口制退器和身管之间设置为绑定接触；身管与摇架衬瓦之间设置为无摩擦接触；制退机和复进机均是一端与摇架固定，另一端与炮尾固定；摇架与轴承之间设置为绑定接触；轴承与耳轴之间设置为无摩擦接触；高低齿轮齿弧之间设置为无摩擦接触；立轴和上架之间设置为绑定接触，立轴和下架之间设置为无摩擦接触；上架和下架之间设置为无摩擦接触；大架和限位器之间设置为无摩擦接触；前支腿和下架之间设置为固定连接；前支腿和土壤之间设置为摩擦接触；驻锄和土壤之间设置为摩擦接触[3]。

通过合理的定义各零部件间的连接关系，使得全炮网格模型组装成一个整体，得到整体的动力学模型。

1.3边界条件及工况设置

笔者研究的牵引榴弹炮是放置在土壤上进行射击的，在有限元模型中是取与火炮的前支腿和大架接触的3个较大的土壤块来模拟的，所以需要给土壤块定义其位移边界条件。在Workbench中通过固定支撑来定义，选取土壤块的底面和侧面，使土壤边界固定。对模型施加的载荷边界条件包括膛压、制退机力和复进机力等。其中膛压作用在身管的内膛表面。制退机力和复进机力采用双向力进行简化。另外，对全炮定义重力加速度，考虑惯性的作用。

该轻型火炮的高低射角范围为[0°,70°],随着射角减小，火炮后坐稳定性降低，为了考察火炮小射角时的后坐稳定性，通过试验测得了制退机力和复进机力在0°高低角下的数据，在0°射角下，具体的4种不同工况如表1所示。

表1 4种不同工况

2 瞬态动力学仿真结果分析

2.1后坐运动特性

火炮在后坐运动过程中，其后坐运动特性反映了后坐的运动规律[4]。仿真得到工况1到工况4的最大后坐位移、速度及相应的时间，如表2所示。

表2 最大后坐位移、速度及相应的时间

从表2中可以看出最大后坐位移均出现在147.9 ms，数值都在1.2 m左右；其最大后坐速度大约都在11 ms左右，数值都在15.3 m·s-1左右。各工况下的结果没有大的差异，可见方向角和土壤支撑的不同对火炮的后坐特性影响不大。

2.2炮口振动特性

火炮发射膛内时期的炮口振动特性是影响火炮射击精度的重要指标。坐标系以垂直膛线向上和向左为正，弹丸出炮口的时间为9.76ms。膛内时期工况1的炮口垂直膛线竖直方向以及侧向的振动位移和振动速度如图2、3所示。膛内时期各工况下炮口振动位移和速度绝对值的最大值如表3所示。

表3 膛内时期各工况下炮口振动位移和速度绝对值的最大值

项目垂直膛线的竖直方向位移绝对值|x|/mm速度绝对值|v|/(mm·s-1)侧方向位移绝对值|x|/μm速度绝对值|v|/(mm·s-1)工况10.778296.564.363.7277工况20.753295.731.751.6475工况30.745294.425.183.7505工况40.753296.462.071.4538

由表3可以得出：

1)在垂直膛线的竖直方向上炮口均是向下振动的，另外结合图2可知开始一段时间内振动位移增长较缓慢，到了5.5 ms左右振动位移开始迅速增大到最大。

2)膛内时期垂直膛线的竖直方向上炮口振动的位移不大，最大位移绝对值在0.75 mm左右，最大速度绝对值在295 mm/s左右。

3)在侧方向上炮口主要是向右振动，而且振动的位移和速度均很小，各工况中侧向最大的位移绝对值只有5.18 μm，最大速度的绝对值只有3.750 5 mm/s。

4)比较工况1和工况2(或工况3和工况4)，发现方向角不同对垂直膛线竖直方向上的炮口振动影响较小，但在侧方向上可以明显的看出0°方向角射击时比22.5°方向角时的炮口振动位移和速度要大1倍多，所以方向角的不同对侧方向的炮口振动影响较大。

5)比较工况1和工况3(或工况2和工况4)，发现不同的土壤对炮口的振动特性没有明显的影响。

6)总体来说，膛内时期各工况下在垂直膛线的竖直方向和侧方向上炮口的振动位移均很小，尤其是侧方向上，可以认为该轻型榴弹炮的炮口振动对射击精度的影响较小。

2.3射击后坐稳定性

火炮的稳定性是指火炮在极限射击条件下不颠覆或跳离地面的跳动量在允许范围内，并能在规定时间内恢复正常射击位置的能力，其直接体现就是前座盘处的跳高。

火炮射击时后坐的稳定性是火炮设计和试验分析中需要考虑的重要因素，此牵引榴弹炮工况1的前座盘跳高如图4所示。 图4中的最小跳高xmin是指前座盘底部离地最近点的距离，最大跳高xmax是指前座盘底部离地最远点的距离。

从图4中可以看出，全炮在开始的一段时间里有一个轻微的跳动，但前座盘并没有完全跳离地面，之后又回到地面。随着后坐部分向后运动，全炮的质心也向后移动，大约在几十毫秒以后全炮开始完全跳离地面。

令t1和t2分别为前座盘底部开始离地的时刻和完全离地的时刻，并将各工况下前座盘的最大、最小跳高的最大值、弹丸出炮口时的最大跳高及t1和t2整理在表4中。

表4各工况下前座盘的最大、最小跳高的最大值、弹丸出炮口时的最大跳高及t1和t2

项目最大跳高的最大值/mm最小跳高的最大值/mm弹丸出炮口时的最大跳高/mmt1/mst2/ms工况139.53320.6730.6699967.7189.36工况245.44716.7261.1753053.9377.50工况342.48610.6610.6159055.9070.66工况439.96923.8290.2299647.9767.73

从表4中的数据可以看出，弹丸出炮口时(即9.76 ms)，全炮有微小的跳动，其中最大的是工况2，值为1.175 3 mm;最小的是工况4，值为0.229 96 mm。可见全炮的跳动会对弹丸的发射有一定的影响。各工况下全炮的最大跳高的最大值差不多，而最小跳高的最大值有点差异，全炮从开始起跳到完全跳离的时间大约是20 ms。前座盘之所以会出现最大跳高和最小跳高是由于火炮发射时全炮会向后移动和转动并加上架体有一定的柔性，而且方向角也可能不同，所以会导致出现纵向和横向的偏转。

在以0°方向角射击时，火炮没有侧方向的偏转。通过比较工况1和工况3前座盘最大、最小跳高的最大值之差发现，在混凝土支撑上的纵向偏转更厉害。这是由于支撑的刚性越大全炮向后的移动越小而转动越大。

在以22.5°方向角射击时，火炮不仅有纵向的偏转还有横向的偏转。通过比较工况2和工况4前座盘最大、最小跳高的最大值之差发现，在密实土壤上的偏转更大，而一般在密实土壤上纵向偏转比混凝土上的小。

由此可推断出：在笔者所采用的简化条件及接触边界设置情况下，土壤支撑的刚性越大，对纵向偏转的影响越大；而刚性越小，对横向偏转的影响越大。可见不同方向角和土壤对射击后坐稳定都有很大的影响。

3 结论

考虑了火炮发射过程中土体和方向角对其动态特性的影响，利用结构动力学非线性有限元法[5],进行了后坐过程的瞬态动力学分析，得出了以下结论：

1)不同方向角时：对后坐运动特性影响不大；对垂直膛线竖直方向的炮口振动特性无明显影响，但对侧方向的影响很大，而且是方向角越大，侧方向的振动位移和振动速度越小；对侧方向的偏转影响较大。

2)不同土壤支撑时：对后坐运动特性和炮口振动特性影响不大；土壤支撑的刚性越大，对纵向偏转的影响越大；而刚性越小，对横向偏转的影响越大。

研究表明方向角和土体对于火炮后坐过程的动态特性都有一定的影响，这将对轻型牵引火炮的设计提供必要的依据和参考。

References)

[1] 刘达, 顾克秋, 何永. 基于不同土体的牵引火炮动态应力分析[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2008，32(6):681-685. LIU Da，GU Keqiu，HE Yong. Dynamic stress analysis of towed howitzer placed on different soils[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology：Natural Science,2008,32(6):681-685. (in Chinese)

[2] 许明财. ANSYS Workbench安世亚太中文培训教程[M].北京：ANSYS-China 北京办事处,2009:50-55. XU Mingcai. ANSYS Workbench ANSYS-China chinese traning[M]. Beijing: ANSYS-China Office in Beijing,2009:50-55.(in Chinese)

[3] 浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M]．北京: 中国水利水电出版社，2010． PU Guangyi.The basis course and example explanation of ANSYS Workbench12[M].Beijing:China Water & Power Press，2010．(in Chinese)

[4] 王虎, 顾克秋. 牵引火炮非线性有限元隐式动力学分析[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2006，30(4):462-466. WANG Hu，GU Keqiu． Implicit dynamics analysis of nonlinear finite element for towed howitzer[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology：Natural Science，2006，30(4):462-466. (in Chinese)

[5] 王凯，乐贵高，于存贵，等. 某舰炮非线性动力学分析[J]. 系统仿真学报，2010，22(9):2214-2216. WANG Kai，LE Guigao，YU Cungui，et al. Nonlinear dynamics analysis of naval gun[J]．Journal of System Simulation，2010，22(9):2214-2216.(in Chinese)

DynamicCharacteristicAnalysisofaCertainArtillerywith0°FiringAngleConsideringSoilandDirectionAngle

CAO Guangqun1,LIU Shuhua1, FAN Linsheng1, LI Taiyang1,FANG Dongxu2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan030051,Shanxi,China;2.No.208Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing102202,China)

For the purposes of studying the influence of soil material and direction angle on the dyna-mic characteristics of a lightweight howitzer, the howitzer is placed on two different materials of soil to build the howitzer's finite element model. The transient dynamics analysis was conducted of the whole howitzer under different direction angles with the recoil dynamic characteristics, the vibration perfor-mance of the muzzle and the jumping height of fore attic base obtained. The simulation results provide important references for the research on the dynamic characteristics of the light-weight howitzer.

towed howitzer; finite element; soil;direction angle; transient dynamic

TJ33

： A

：1673-6524(2017)03-0012-04

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.003

2016-09-12

曹广群(1981—)，男，博士，副教授，主要从事火炮自动武器动力学仿真及结构优化研究。E-mail：caoguangqun98@126.com