艦炮供彈系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

葛勝利

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

傳統(tǒng)艦炮設(shè)計理論對艦炮的運動和受力進(jìn)行分析時，多基于“平面、對稱及靜平衡”3個基本假設(shè)[1]。因此，在對艦炮進(jìn)行建模與分析時，雖然引入了多種經(jīng)驗系數(shù)，但仿真結(jié)果與實際仍有較大差異。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，傳統(tǒng)的分析方法實際上是準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法，而艦炮實際工作時，是一個受沖擊的過程，應(yīng)采用多體系統(tǒng)動力學(xué)的方法進(jìn)行分析。隨著現(xiàn)代火炮設(shè)計理論與方法的發(fā)展，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計越來越受到重視，是未來火炮設(shè)計理論與方法的發(fā)展趨勢。例如美國TACOM公司提出利用虛擬樣機(jī)技術(shù)支持3 200多種武器系統(tǒng)的研制，依據(jù)武器系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)可以在物理樣機(jī)制造之前，全面掌握武器潛在的各種問題，提出設(shè)計變更和設(shè)計反饋，減少設(shè)計失誤和實物試驗驗證次數(shù)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新型的產(chǎn)品設(shè)計和過程開發(fā)的方法，虛擬樣機(jī)模型包含了產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計的信息，包括物理樣機(jī)的幾何信息、材料信息和供仿真分析的數(shù)學(xué)模型信息，這種模型實際上是一種設(shè)計、分析一體化的模型，可用來分析和評估系統(tǒng)的性能，為物理樣機(jī)的設(shè)計和制造提供參考依據(jù)。虛擬樣機(jī)開發(fā)過程如圖1所示。

圖1 虛擬樣機(jī)開發(fā)過程Fig.1 Virtual prototype development process

建立一個全面反映艦炮的工作過程并準(zhǔn)確描述各零部件運動和受力的動力學(xué)模型，是解決艦炮仿真問題的重要步驟。虛擬樣機(jī)技術(shù)是將機(jī)械系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行考慮，外部影響通過作用力和驅(qū)動約束等元素施加于系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系與作用[2]。本文探討了虛擬樣機(jī)技術(shù)在某艦炮供彈系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，通過在PRO/E環(huán)境下建立的三維參數(shù)化模型，在ADAMS中建立供彈系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動力學(xué)仿真研究，得到主要傳動件的動力學(xué)數(shù)據(jù)。然后利用已經(jīng)建立的彈鼓運動阻力參數(shù)檢測裝置對供彈系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了試驗，通過該裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出射擊狀態(tài)下彈鼓運動速度、輸入扭矩等參數(shù)曲線，其變化趨勢及最終狀態(tài)與仿真計算數(shù)據(jù)基本吻合，充分證明了計算結(jié)果的可信性。

1 供彈系統(tǒng)工作原理

某型艦炮的彈鼓式無鏈供彈系統(tǒng)是1套大容量、能夠連續(xù)快速供彈、結(jié)構(gòu)緊湊并具有多彈種更換功能的系統(tǒng)平臺，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

供彈系統(tǒng)動力由自動機(jī)提供，經(jīng)過齒輪箱中4級齒輪和太陽輪運動傳遞至行星輪，行星輪的公轉(zhuǎn)帶動內(nèi)鼓旋轉(zhuǎn)將炮彈從內(nèi)鼓輸出，經(jīng)齒輪箱各級撥彈輪輸入炮膛。

圖2 供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of a projectile supply system

2 建立供彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

本文利用PRO/E軟件建立模型，根據(jù)供彈系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立三維模型。在PRO/E中裝配時，要檢查裝配模型的干涉情況，以減小仿真分析時，由模型初始狀態(tài)所引起的誤差。彈藥傳遞過程中存在復(fù)雜的接觸碰撞關(guān)系，仿真不但要求得到機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，還要能夠得到運動過程中零件間的相互作用，以更好的模擬零件的真實工作狀態(tài)。對于建好的三維模型，首先需要對模型進(jìn)行校核，檢查裝配模型是否存在干涉，若存在需對模型進(jìn)行局部修改或者重新裝配，其次在建立動力學(xué)模型過程中需對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，如一些不影響仿真結(jié)果的零件（如螺栓、螺母等）和一些不關(guān)心的部件（如機(jī)箱），可直接刪除，這樣可以降低求解資源、節(jié)省計算時間。

該模型全面反映了機(jī)構(gòu)的幾何特征，包括各部分的尺寸、各幾何體之間的連接關(guān)系和裝配關(guān)系。

建立模型的步驟如下：

1）在PRO/E中裝配好三維實體模型后，將模型導(dǎo)入ADAMS中；

2）在ADAMS中設(shè)置重力在-Y方向，并設(shè)置每個部件的密度，使其具有轉(zhuǎn)動慣量[4]。

3）機(jī)架以及不參加運動的部件和大地建立固定副，齒輪添加轉(zhuǎn)動副。兩齒之間添加接觸副，接觸參數(shù)設(shè)置為：k=1.1×10E9，e=1.5，δ=45，C=0.01。設(shè)置轉(zhuǎn)動副和接觸副摩擦系數(shù)；并通過軟件檢查機(jī)構(gòu)自由度驗證動力學(xué)模型的可解性，對模型中的過約束進(jìn)行修改。添加完約束必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)檢查（model verify），必須確保沒有過約束，否則仿真會產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。特別對于封閉機(jī)構(gòu)（如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)），ADAMS一定會產(chǎn)生過約束，此時要用基本約束副代替旋轉(zhuǎn)副或滑動副。

4）根據(jù)實際試驗中自動機(jī)射速，在輸入軸上施加轉(zhuǎn)速驅(qū)動。模擬轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。

將實驗得到的每2發(fā)彈發(fā)射間隔轉(zhuǎn)換為星形體的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速添加在底部曲柄連桿機(jī)構(gòu)的大錐齒輪上，從而給整個機(jī)構(gòu)提供動力。由于實驗中每兩發(fā)彈發(fā)射間隔時間是變化的，故需將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS中，用AKIMA插值擬合發(fā)進(jìn)行擬合，得到曲線，并將轉(zhuǎn)速曲線加載到錐齒輪上，由錐齒輪帶動星形體運動，同時錐齒輪與五齒齒輪嚙合，帶動撥彈軸運動，從而給撥彈輪傳遞動力。供彈系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖3 模擬轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Simulated rotational speed curve

圖4 彈鼓虛擬樣機(jī)模型Fig.4 Virtual prototype model of missile and drum

5）仿真計算

建好虛擬樣機(jī)模型后，選擇求解器并確定分析時間及步長，即可進(jìn)行仿真計算。

3 動力學(xué)仿真分析

本文主要分析艦炮發(fā)射過程中，從啟動到運行平穩(wěn)這個階段，考慮了彈鼓中不裝彈空載和裝滿彈滿載2種情況。內(nèi)鼓轉(zhuǎn)動速度決定了供彈系統(tǒng)的供彈速度，進(jìn)而影響自動機(jī)發(fā)射率。這段時間內(nèi)彈鼓旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度變化情況如圖5和圖6所示。

整個過程處于加速階段，因此齒輪上的作用力較大。運動經(jīng)由齒輪箱最后一級齒輪與太陽輪的嚙合傳入彈鼓，此處處于傳動鏈的中間位置。本文采集此處的嚙合力曲線如圖7所示。

圖5 2種情況下彈鼓角速度Fig.5 Projectile angular velocity in two cases

圖6 2種情況下彈鼓角加速度Fig.6 The acceleration of the blast angle in two cases

圖7 嚙合力曲線Fig.7 Meshing force curve

供彈系統(tǒng)啟動加速過程中，扭轉(zhuǎn)力矩迅速增大，隨著啟動過程結(jié)束，供彈系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)力矩經(jīng)歷正弦式波動后逐漸趨于平緩，最后圍繞一個較小值在小范圍內(nèi)正弦波動。如圖8所示。

圖8 彈鼓啟動力矩Fig.8 Start torque of a drum

圖5中彈鼓角速度增加基本一致，但滿載情況下上升較為平緩，空載情況下曲線出現(xiàn)尖點拐點。從圖6中可以看出，空載情況下的彈鼓角加速度變化劇烈，滿載情況下較為穩(wěn)定，同時印證空載情況下受力波動較大?？蛰d時，角加速度最大值出現(xiàn)在0.072 s附近，滿載時在0.06—0.07 s內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3次峰值。此時嚙合力在7 000 N附近波動，并在0.066 s出現(xiàn)最大值。在0.095 s后，角加速度趨于0，角速度達(dá)到最大值，運行趨于平穩(wěn)。由圖7可以看出，空載情況下，受力波動較大，這時輪齒受到較嚴(yán)重的沖擊。在速度達(dá)到最大值并將穩(wěn)定運行時，嚙合力仍以較大幅度波動，末端反而出現(xiàn)一個最大受力。滿載情況下，受力波動較小，但是受力較大，最大值接近11 000 N。在速度達(dá)到最大值并穩(wěn)定運行時，受力逐漸減小趨于穩(wěn)定。由圖8可以看出彈鼓啟動力矩最大值為125 N·m，射速穩(wěn)定后輸入扭矩25 N·m。

4 試驗驗證

彈鼓運動阻力檢測裝置主要用于研制內(nèi)能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)帶動彈鼓供彈系統(tǒng)的能源匹配試驗、彈鼓運動阻力矩檢驗和可靠性試驗，可以進(jìn)行模擬試驗和動態(tài)特性的測試，確定彈鼓供彈系統(tǒng)的阻力距特性、供彈的可靠性以及其他特性，為該產(chǎn)品的檢驗提供試驗數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)。彈鼓運動阻力檢測裝置主要由彈鼓阻力矩及運動狀態(tài)測試系統(tǒng)、彈鼓運動控制系統(tǒng)、炮彈運動及加速度存儲測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)等4部分組成，如圖9所示。

圖9 彈鼓運動阻力檢測裝置Fig.9 Resistance detection device for drums and drums

按照4 200發(fā)/min射速設(shè)置試驗裝置狀態(tài)，彈鼓運動角速度曲線如圖10所示，輸入扭矩曲線如圖11所示。

圖10 彈鼓運動角速度Fig.10 Angular velocity of projectile and drum motion

圖11 輸入扭矩Fig.11 Input torque

試驗過程模擬了滿載情況下，該型艦炮射擊時供彈系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)，由于仿真計算步數(shù)限制，得到的彈鼓運動角速度曲線較短，沒有顯示出穩(wěn)定狀態(tài)，但其基本趨勢及最大值等數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)一致。試驗過程中，在停射時輸入扭矩會有一個突然增大的波峰，這是由于緊急制動造成的，其變化趨勢與仿真計算結(jié)果也基本一致。

5 結(jié) 語

在射擊起始階段，空載情況下的供彈系統(tǒng)齒輪嚙合力波動較大，產(chǎn)生較大的加速度，因此振動較大；滿載情況下的齒輪嚙合力大，加速過程相對空載時較平穩(wěn)。通過模擬射擊試驗，試驗數(shù)據(jù)與仿真計算數(shù)據(jù)基本一致。根據(jù)以上供彈系統(tǒng)動力學(xué)分析結(jié)果，可以為供彈系統(tǒng)的強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供較為可靠的分析依據(jù)。