某迫榴式火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

宋 焦，何 永，趙 威，陶齊岡

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

反后坐裝置是火炮關(guān)鍵部位之一，其性能直接影響火炮的結(jié)構(gòu)受力和發(fā)射時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，開展關(guān)于反后坐裝置基于受力優(yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有十分重要的意義。本文利用ISIGHT 軟件開展了對(duì)某迫榴式牽引火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其目的是使得后坐力平穩(wěn)，從而降低結(jié)構(gòu)受力，有利于減輕全炮質(zhì)量，并提高火炮的射擊穩(wěn)定性［1-3］。

1 后坐受力分析及動(dòng)力仿真

1.1 迫榴炮后坐受力分析

本文所研究的某超輕型迫榴式牽引火炮，反后坐裝置采用傳統(tǒng)的節(jié)制桿式制退機(jī)和液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)。后坐部分通過反后坐裝置與炮架彈性連接，射擊時(shí)沿?fù)u架導(dǎo)軌作后坐、復(fù)進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)。后坐時(shí)后坐部分受力示意圖如圖1所示。

圖1 后坐時(shí)后坐部分受力分析

火炮發(fā)射時(shí)后坐部分的主動(dòng)力為炮膛合力Fpt、后坐部分重力mhg 和彈丸作用于膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力矩Mhz;約束反力為制退機(jī)力Fφh、復(fù)進(jìn)機(jī)力Ff和摩擦力F［4］。炮膛合力由火藥氣體和彈丸彈帶共同作用產(chǎn)生，膛內(nèi)時(shí)期可表示為

式中:φ 為次要功計(jì)算系數(shù);ω 為裝藥質(zhì)量;m 為彈丸質(zhì)量;p為膛內(nèi)平均壓力;A 為線膛部分截面積。

液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)力Ff可表示為

式中:Ff0為復(fù)進(jìn)機(jī)初力;ν0為氣體初體積;Af為復(fù)進(jìn)機(jī)活塞工作面積;X 為后坐行程;n 為多變指數(shù)，取決于復(fù)進(jìn)機(jī)的散熱條件和活塞運(yùn)動(dòng)速度，一般取n=1.3。

節(jié)制桿式制退機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。

圖2 節(jié)制桿式制退機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

節(jié)制桿式制退機(jī)，桿后坐時(shí)，制退機(jī)液壓阻力可表示為

其中:K1為主流壓阻力系數(shù);ρ 為流液密度;K2為支流阻力系數(shù);A0為制退機(jī)活塞工作面積;Ap為節(jié)制環(huán)孔面積;Afj為復(fù)進(jìn)節(jié)制器工作面積;A1為支流最小截面積;V 為后坐速度;ax為流液孔面積，為節(jié)制環(huán)內(nèi)徑，dx為節(jié)制桿任意截面直徑。

假設(shè):①發(fā)射時(shí)所有力均作用在射面內(nèi);②后坐部分和除此以外的炮架部分均為剛體;③忽略彈丸作用于膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力矩作用［4］。則發(fā)射時(shí)后坐部分受力可簡化為剛體在平面力系作用下動(dòng)力學(xué)問題。取火炮后坐的方向?yàn)閤 方向，在該方向?qū)笞糠诌\(yùn)用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，則后坐運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中:X 為后坐行程;θ 為火炮高低射角。

定義后坐阻力FR為

則式(4)可簡化為

在火炮內(nèi)彈道條件一定情況下，后坐阻力變化與后坐運(yùn)動(dòng)和火炮受力有很大關(guān)系。

1.2 后坐運(yùn)動(dòng)動(dòng)力仿真結(jié)果

本文根據(jù)以上公式等編制了仿真計(jì)算程序，對(duì)該新型120 mm 口徑迫榴炮方向射角為0°，高低射角為0°時(shí)進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 炮膛合力—時(shí)間曲線

圖4 后坐阻力、制退機(jī)力、復(fù)進(jìn)機(jī)力—位移曲線

圖3 為炮膛合力曲線，最大值Fptmax為976 kN。圖4 中后坐阻力由制退機(jī)液壓阻力、復(fù)進(jìn)機(jī)力和摩擦力組成，曲線呈前低后高的趨勢(shì)，最大值FRmax為115.17 kN，使得火炮結(jié)構(gòu)受力不盡合理，需進(jìn)行優(yōu)化。

2 反后坐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化模型建立

對(duì)反后坐裝置優(yōu)化時(shí)，一般不優(yōu)化復(fù)進(jìn)機(jī)，只優(yōu)化制退機(jī)［5］。由圖2 節(jié)制桿式制退機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖和式(3)可知制退機(jī)力是流液孔ax和V 的函數(shù)，而ax與節(jié)制桿尺寸相關(guān)，故對(duì)節(jié)制桿尺寸進(jìn)行調(diào)整，可獲得理想后坐阻力曲線。

本文對(duì)火炮方向射角為0°，高低射角為0°時(shí)的后坐阻力進(jìn)行優(yōu)化，建立的優(yōu)化模型如下。

1)目標(biāo)函數(shù)

選取后坐阻力峰值最小為目標(biāo)函數(shù)，可表示為min FR。

2)設(shè)計(jì)變量

將節(jié)制桿各段的折點(diǎn)直徑d1，d2，…，dn及各段軸向尺寸x1，x2，…，xn作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量有2n-1 個(gè)［6］。

3)約束條件

由于后坐長度受限制，需對(duì)后坐長λ 進(jìn)行約束。為了節(jié)制桿在設(shè)計(jì)時(shí)其徑向尺寸不小于節(jié)制桿最小尺寸dmin，且節(jié)制桿能順利通過節(jié)制環(huán)，需對(duì)節(jié)制桿徑向尺寸進(jìn)行約束。為了每次計(jì)算有效，對(duì)節(jié)制桿各段軸向尺寸也需要進(jìn)行約束。優(yōu)化時(shí)節(jié)制桿仍需保證壓桿穩(wěn)定性。本優(yōu)化具體約束條件

2.2 優(yōu)化模型實(shí)施

本文利用多學(xué)科優(yōu)化軟件ISIGHT 集成后坐FORTRAN計(jì)算程序建立優(yōu)化模型，選用修正可行方向法(Modified Method of Feasible Directions-ADS)進(jìn)行求解，流程如圖5 所示。ISIGHT 集成FORTRAN 運(yùn)行程序如圖6 所示。其中輸入文件被替換為jzg.dat，執(zhí)行文件被替換為可執(zhí)行的FORTRAN 程序文件Recoil_shandi. exe，輸出文件被替換為RESULT.DAT。過程集成完成后，在參數(shù)表中對(duì)設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖5 ISIGHT 集成FORTRAN 優(yōu)化流程

圖6 ISIGHT 集成FORTRAN 運(yùn)行文件

3 仿真結(jié)果及分析

本文通過ISIGHT 軟件對(duì)火炮方向射角為0°，高低射角為0°時(shí)的后坐阻力進(jìn)行優(yōu)化。初始和優(yōu)化后后坐阻力—時(shí)間曲線及后坐阻力—位移曲線圖如圖7、圖8 所示。

圖7 后坐阻力-時(shí)間圖

圖8 后坐阻力-位移圖

由圖7、圖8 可知，后坐阻力曲線更加平緩，后坐阻力峰值由115.17 kN 降低為90.01 kN，優(yōu)化前后總體后坐能量基本一致。以上仿真曲線說明通過調(diào)節(jié)節(jié)制桿參數(shù)，可以獲得較優(yōu)的后坐阻力曲線。

4 結(jié)束語

本文在對(duì)反后坐裝置進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，編寫了FORTRAN 計(jì)算程序?qū)笞\(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，運(yùn)用ISIGHT 軟件集成FORTRAN 計(jì)算程序建立優(yōu)化模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化模型通過對(duì)節(jié)制桿尺寸的參數(shù)優(yōu)化，獲得了較優(yōu)的后坐阻力曲線。該優(yōu)化模型可以減小后坐阻力峰值，使后坐力更平穩(wěn)，從而降低結(jié)構(gòu)受力，有利于減輕全炮重量和提高火炮射擊穩(wěn)定性。

［1］李強(qiáng)，鄭建國，高樹滋.火炮穩(wěn)定性與后坐阻力R 的最優(yōu)設(shè)計(jì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，1997（1）:34-39.

［2］宗士增，錢林方，徐亞棟.火炮反后坐裝置動(dòng)力學(xué)耦合分析與優(yōu)化［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007（3）:272-275.

［3］何永，楊軍榮，高樹滋.曲線后坐火炮后坐阻力規(guī)律的分析與研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（4）:217-220.

［4］高樹滋，陳運(yùn)生，張?jiān)铝?，?火炮反后坐裝置設(shè)計(jì)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1995.

［5］鄭小將.駐退機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.南京:華東工學(xué)院，1990.

［6］周成，顧克秋，邵躍林.火炮制退機(jī)節(jié)制桿優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2012（4）:68-69.