大口径火炮反后坐装置及定向栓空间布置对炮口振动影响研究

张亨，樵军谋，郭俊行，卓建平，杨健为

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

大口径、长身管火炮的射击精度是火炮关键技术指标之一,是实现精确打击的基础,影响到武器系统作战使用。火炮的射击精度不仅受内弹道过程影响,还与外弹道等诸多因素有关。火炮炮口振动是影响火炮射击密集度的关键因素之一,从火炮结构设计上减小炮口振动、提高火炮射击精度是火炮设计中的重要研究内容之一。在工程实际中往往纵向密集度指标较难实现,横向密集度指标较易实现,但是有些产品研制中也出现了横向指标难以实现的问题。就某些火炮系统设计而言,横向密集度指标实现情况与火炮结构方案有很大关系。火炮架体、反后坐装置和定向栓等结构是火炮发射系统的重要组成部分,是发射系统实现射击精度的结构基础。优化发射系统总体结构布置,尤其是火炮架体、反后坐装置及定向栓空间布置,是提高火炮射击精度的重要技术手段之一。

高波等[1]通过对摇架变形及其与反后坐装置相互作用的分析,研究了反后坐装置在摇架上不同安装方式对重复工作一致性进行了研究,但是仅为定性分析,没有定量计算;梁传建等[2]应用非线性有限元理论,建立了某大口径火炮的发射动力学模型,考虑了机构之间的接触碰撞关系,采用数值计算研究了复进机和制退机的不同固定方式和不同布置位置对载荷传递规律和炮口振动的影响,但是模型没有涉及到定向栓布置;萧辉等[3]使用建立了全炮刚柔耦合发射动力学模型,研究了反后坐装置布局对炮口振动的影响,但是多刚体软件在计算瞬态冲击振动方面存在缺陷、建模时没有考虑弹炮耦合作用的影响。

大口径火炮发射弹丸是强冲击、瞬态问题,这方面的理论研究存在模型复杂、难以求解等困难,为此国内学者在弹丸挤进研究、弹丸膛内运动研究方面开展了大量的研究工作。文献[4]建立了非对称弹丸在挠性渐速膛线身管内运动动力学模型和运动微分方程组,求解了非对称弹丸在渐速膛线理想身管内的运动规律,结果表明就减小射弹散布而言渐速膛线身管优于等齐的。文献[5]应用动力学分析方法分析了火炮身管采用等齐膛线、渐速膛线和混合膛线时的动力学响应差异,分析了对身管膛线导转侧力、膛线约束下的弹丸轴向加速度、炮口绕身管轴线转动角速度和角加速度的影响,结果表明等齐膛线有利于弹丸膛内平稳运动,有利于减小炮口振动响应,但是并没有考虑弹丸在膛内的运动姿态等;文献[6]建立了弹丸身管耦合非线性动力学模型,分析了身管有无弯曲、不同弹丸质量偏心等条件膛内运动时期弹丸前定心部与身管的碰撞过程,结果表明弹丸与身管碰撞是影响弹丸膛内动力响应的主要因素之一。孙玉杰等[7]采用光滑粒子单元与有限单元耦合方法研究了弹丸挤进和膛内运动规律。郭俊行等基于光滑粒子法研究了某大口径火炮不同膛线方程时弹丸挤进过程[8],研究了膛线形式对某大口径火炮炮口振动影响研究[9],研究了烧蚀磨损对某大口径自行加榴炮动态响应影响[10]。以上研究结果表明采用光滑粒子法与有限单元法耦合方法研究弹丸挤进、膛内运动和弹炮耦合作用能够兼顾计算效率和求解精度,具有一定的应用价值。故本文应用该方法建立某大口径火炮发射动力学模型,研究反后坐装置及定向栓布置对炮口振动影响。

国外针对此类问题也开展了大量的研究,典型的火炮,如39倍身管的M777和非瞄准线(NLOS-C)155 mm火炮,52～56倍身管的十字军骑士155 mm火炮,58倍身管的M777和M109A8(ERCA)155 mm火炮系统的XM1299火炮,均采用了斜对角反后坐装置布置结构。

某大口径自行炮要求质量轻、精度高,需要对该炮火力系统方案进行优选,为总体方案设计提供理论参考。笔者采用有限元方法建立了某大口径自行火炮的全炮模型,开展了某装药条件下4种不同的反后坐装置及定向栓布置方案时的火炮动态响应分析计算,分析了不同反后坐装置和定向栓布置方案对全炮动态响应(如炮口振动、前套箍受力等)的影响,初步分析了反后坐装置对称及双定向栓布置结构对炮口振动和全炮动力学响应的影响。

1 发射系统布置方案

为减小炮口振动、改善射击精度,初步选定了以下几种反后坐装置及定向栓布置方案,如图1所示,依次记为方案1～4;计算时保证反后坐装置出力相等,各个仿真工况均由改变有限元模型中的个别单元和边界条件获得。

2 火炮有限元模型

2.1 火炮结构有限元模型

依据初方案的三维实体模型,简化了对分析影响不大的圆角、小孔、螺纹等次要因素,采用板壳单元和四面体单元为主的网格划分方法,建立了起落部分的有限元网格如图2所示。

本文的分析工况选为某装药条件下以高低0°射角、方向0°射角发射榴弹。根据以往对大口径、长身管火炮发射动力学的研究,火炮振动的主要因素包括弹炮耦合作用、布尔顿力等[7],一般在高低0°射角时身管的横向振动较大,尽管高低0°射角并不是常用射角,但是作为对比性研究取高低0°射角也有一定的参考价值。取炮口方向为x轴正向,从炮尾看过去向左为y轴正向,向上为z轴正向,建立坐标系,炮口点沿z轴方向的运动为高低方向位移,在y轴方向的运动为左右方向位移,绕z轴旋转角度为左右方向角位移,绕y轴旋转角度为高低方向角位移。

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建立了回转部分模型如图3所示,建立了包括火炮起落部分、回转部分和底盘、辅助装置等的全炮模型,如图4所示。除底盘和辅助装置采用刚体方法建模外,其余部分如身管、弹丸等均按照弹性体建模,弹带部分采用光滑粒子单元建模[4-7]。

身管、弹丸部分的网格较细,基本尺寸为10 mm,身管共划分约50万个单元,弹丸共划分约10万个单元,全部网格共计约100万个单元。为了适应求解器的重启动分析功能,采用减缩积分单元,主要的材料属性及参数如表1所示。

表1 主要的材料属性及参数[7]

2.2 火炮动力学模型求解框架

有限元方法是一种数值计算方法,既能够求解静态问题也能求解动态问题,已经获得了广泛的应用,适合用来研究火炮发射过程中的动态响应。笔者以某自行火炮总体结构技术方案探索为研究对象,用模型仿真的手段指导设计,有一定的研究和应用价值。建立模型时对实际问题的简化及认识很关键,尤其是边界条件及加载方式等决定了模型仿真的结果是否可信,因此对该模型的部分研究细节进行讨论。根据火炮摇架结构的特点,建立左、右支臂耳轴孔内表面与参考点处的耦合约束关系,释放其上下方向转动自由度、约束其他自由度;建立高平机孔内表面与参考点处的耦合约束关系,在参考点和高平机挂点之间建立线性弹簧单元。摇架与后坐部分之间通过套箍支撑,同时有定向栓限制后坐部分的旋转,定义摇架前后铜套箍内表面与身管圆柱部外表面、定向栓室表面和定向栓之间的接触关系。

火炮在静止状态下受重力作用产生自重变形,是发射时的初始几何构型,首先建立静态分析步求解其变形和应力,然后再建立动态仿真分析步求解发射过程中的应力和变形,用重启动分析来连接这两个分析步。起落部分自重变形云图如图5所示,最大位移点处于炮口制退器上,最大变形位移达到5 mm。

根据反后坐装置结构原理[11],制退机力与后坐速度和制退机结构尺寸的函数关系为

FΦ=f(ax)v2,

(1)

式中:FΦ为制退机力;ax为流液孔面积;f(ax)为流液孔面积的函数;v为后坐速度。在膛内时期一般ax为常数,即制退机力是后坐速度平方的函数,在有限元模型中可通过非线性阻尼单元模拟制退机的力学行为。

复进机力随后坐位移变化关系式为

(2)

式中:Ff为复进机力;Ff0为复进机初力;Ls为复进机初容积相当长度;s为后坐位移;n为气体多变指数。可见复进机力Ff为后坐位移s的函数,在有限元模型中可通过非线性弹簧单元模拟复进机的力学行为。膛内期的制退机和复进机力学特性如图6所示。

在火炮发射分析步中,因弹丸在膛内运动,定心部、弹带和内膛表面碰撞,定义前后定心部表面、弹带和内膛的接触关系。作用在起落部分的主要载荷有重力、火药燃气压力等;某装药条件的内弹道压力曲线如图7所示,通过VDLOAD子程序将内弹道压力曲线进行插值后施加到膛底、内膛表面和弹底[9-10]。

建立动态显式分析步求解膛内时期的变形和应力,全炮应力云图如图8所示。

3 计算结果及结论

分析了某装药条件下以高低0°射角、方向0°射角、4种反后坐装置及定向栓布置方案时全炮的响应,得到炮口左右和高低方向的线速度、左右和高低方向的角速度,如图9所示。弹丸出膛口瞬间炮口振动结果对比如表2所示。

表2 弹丸出膛口瞬间炮口振动结果对比

从图9中可知,采用双定向栓布置方案时炮口左右方向振动的线速度和角速度较小,说明针对该火炮,双定向栓对称布置能减小炮口振动。采用双定向栓和反后坐装置对称布置方案时的炮口振动量(线速度214 mm/s、角速度0.282 rad/s)比其他方案要小。

以身管、炮尾、定向栓构成的整体为研究对象,对两种定向栓布局方案进行受力分析,如图10所示。

从炮口方向看,身管受到顺时针方向的导转力矩M,设定向栓距离炮膛轴线的距离为L,简化为平面受力分析问题。当采用单定向栓时,后坐部分要保持受力平衡,由力矩平衡条件可知定向栓受到逆着y轴方向的力Fy:

(3)

此时身管若要保持平衡则必须受到沿着y轴方向的力FF,由力平衡条件可知:

(4)

由于身管和摇架之间留有间隙,在火炮发射时、间隙消除之前身管势必有逆着y轴方向运动的趋势,当形成稳定接触后才能保持平衡。

当采用双定向栓时,后坐部分要保持受力平衡,由力矩平衡条件可知两个定向栓分别受到方向相反、大小相等的力,即

(5)

此时Fy1、Fy2形成力偶,与导转力矩相平衡,身管不会受到向左或向右的横向作用力。

根据以上分析,当采用单定向栓设计时身管有可能受到横向力作用,而当采用双定向栓时则不会。由于横向作用力有可能引起身管横向振动,所以采用双定向栓设计、减小横向作用力是能够减小身管横向振动的。

以后坐部分为分析对象,以反后坐装置力为外力进行受力分析,假设反后坐装置的力总是沿着身管指向的,将其向炮膛轴线简化后得到集中力和弯矩,若为对称结构则各分力的弯矩互相抵消,若不是对称结构则必然存在弯矩作用在后坐部分上。由于该弯矩也有可能引起身管横向振动,故将反后坐装置对称布置后也能够减小身管的横向振动。

以上分析说明,采用双定向栓和对称布置的双制退双复进结构布置方案较传统的单定向栓、单制退单复进布置方案有所改进,能够显著减小身管横向振动。根据以往对火炮射击精度的研究,减小炮口在左右方向的振动能够减小弹丸的横向散布,有利于实现横向密集度指标,对火炮结构设计具有一定的研究和应用价值。

仿真中得到了各工况时套箍力响应,如图11所示。从图11中可知,采用两个定向栓时,套箍左右方向力较小、高低方向力变化较平稳,说明针对该火炮双定向栓对称布置能改善套箍受力从而减小套箍磨损。根据文献[1]的研究,改善套箍受力能够减轻套箍和反后坐装置的磨损,能够从一定程度上改善火炮射击密集度,使得火炮在多次射击后仍然能够保持射击精度。

4 结论

笔者建立了某大口径自行炮全炮有限元模型,仿真了膛内时期炮口点振动和前套箍受力,分析了该自行炮反后坐装置及定向栓布置对炮口振动影响,得出以下结论:

1)采用双定向栓布置方案时炮口振动较小,说明针对该火炮双定向栓对称布置能减小炮口振动、提高射击精度。

2)采用两个定向栓时,套箍左右方向力较小、高低方向力变化较平稳,说明该火炮采用双定向栓对称布置还能改善套箍受力从而减小套箍、反后坐装置磨损。

3)采用双定向栓、反后坐装置对称布置方案时,炮口振动速度和角速度比其他方案要小,较传统的单制退单复进单定向栓布置方案有所改进,有利于提高射击精度、实现密集度指标。