某火炮射擊穩(wěn)定性的總體參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化

王 飛，楊國來，葛建立，周 樂

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

某火炮射擊穩(wěn)定性的總體參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化

王 飛，楊國來，葛建立，周 樂

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

為保證火炮射擊精度，火炮系統(tǒng)應(yīng)滿足射擊穩(wěn)定性條件。通過分析全炮的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立火炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型?？紤]身管、搖架和上架的變形，取3部件為柔體，其余部件為剛體，分析火炮射擊穩(wěn)定性。建立火炮射擊穩(wěn)定性敏感度分析模型進(jìn)行總體參數(shù)靈敏度分析，尋求對射擊穩(wěn)定性影響較大的設(shè)計(jì)變量。采用遺傳算法對火炮射擊穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，有效降低了下架前座盤跳高，提高了射擊穩(wěn)定性。該動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化為火炮的總體設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

火炮；動(dòng)力學(xué)分析；靈敏度分析；多目標(biāo)優(yōu)化

火炮射擊穩(wěn)定性是保證火炮射擊精度和射擊密集度的重要條件之一。通過動(dòng)力學(xué)分析火炮射擊穩(wěn)定性是目前主要的分析手段。文獻(xiàn)[1-4]均就不同角度對火炮射擊穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，但其優(yōu)化計(jì)算均基于多剛體動(dòng)力學(xué)模型。相對這些動(dòng)力學(xué)模型而言，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型可大幅提高計(jì)算精度[5]，筆者將火炮身管、搖架和上架等3個(gè)重要部件用柔體來模擬，建立了火炮剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以得到更接近實(shí)際情況的射擊穩(wěn)定性分析結(jié)果。

在優(yōu)化之前，需對各總體參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析可用解析法，也可運(yùn)用ISIGHT軟件實(shí)現(xiàn)，針對基于ADAMS/View進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模還可運(yùn)用ADAMS/Insight模塊進(jìn)行靈敏度分析[6]。筆者采用第3種方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜參數(shù)靈敏度分析，挑選出對射擊穩(wěn)定性影響較大的設(shè)計(jì)變量。穩(wěn)定性的優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問題，對于該問題如今已有多種處理方法[7]，筆者應(yīng)用小生境遺傳算法基于Fortran語言編譯了優(yōu)化程序，對火炮射擊穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。

1 動(dòng)力學(xué)分析

1.1 火炮剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

全炮模型可分為身管、制退器、炮尾、搖架、反后坐裝置、上架、方向機(jī)和高低機(jī)、平衡機(jī)以及下架等幾個(gè)部分。將各部分導(dǎo)入ADAMS中，在身管和制退器之間建立固定副；身管和炮尾間建立固定副；搖架和反后坐裝置間建立固定副；搖架和上架間建立轉(zhuǎn)動(dòng)副；平衡機(jī)與搖架間建立固定副；上架和下架間建立轉(zhuǎn)動(dòng)副。分別為各部分設(shè)置材料屬性?；鹋谏鋼暨^程涉及了炮膛合力、制退機(jī)力、復(fù)進(jìn)機(jī)力等，對此編譯了相應(yīng)的Fortran程序，通過Solver Libary嵌入ADAMS中，實(shí)現(xiàn)力的輸入。

選取典型地面 (中等硬質(zhì)土壤) 作為射擊條件，土壤與駐鋤和座盤的作用力利用近似模型主要有Bekker模型[4]，即：

(1)

式中：p為接觸物體對土壤的壓力；kc是反映土壤附著特性的模量；kφ是反映土壤摩擦特性的模量；z為土壤下沉量；n為指數(shù)；b為接觸物體的小尺寸(若接觸物是圓形，指半徑；若是矩形，則指較小邊長度)。

應(yīng)用HYPERMESH軟件對身管、搖架和上架3部分進(jìn)行有限元離散和模態(tài)分析得到ADAMS可調(diào)用的mnf文件，通過Flexible Bodies命令導(dǎo)入多剛體動(dòng)力學(xué)模型并替代原剛性件，并重新設(shè)置與柔體相關(guān)的連接關(guān)系。在身管和搖架間建立柔體-柔體接觸，搖架齒弧與高低機(jī)齒之間建立剛體-剛體接觸。全炮模型示意圖如圖1所示。

1.2 數(shù)值分析

采用Wstill積分求解器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，下架前座盤最大跳高達(dá)291.332 mm，駐鋤水平最大位移為-95.264 mm，駐鋤最大跳高為-129.792 mm。其中駐鋤的垂直位移如圖2所示。

2 射擊穩(wěn)定性總體參數(shù)敏感度分析

火炮總體參數(shù)主要包括各個(gè)部件質(zhì)量、質(zhì)心位置、動(dòng)力偶臂、耳軸位置、立軸位置、高低機(jī)等效剛度和阻尼、平衡機(jī)等效剛度和阻尼等。為探索各參數(shù)對火炮射擊穩(wěn)定性的影響程度，找出影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于前面建立的火炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型應(yīng)用ADAMS/Insight模塊進(jìn)行了靈敏度分析。

在進(jìn)行敏感度分析前，應(yīng)對模型進(jìn)行參數(shù)化。選取炮尾質(zhì)量、炮尾質(zhì)心坐標(biāo)、高低機(jī)等效剛度、方向機(jī)等效剛度、前座盤等效剛度和阻尼以及右座盤的等效剛度和阻尼等17個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量(因素)。參數(shù)設(shè)置如表1所示。各因素水平設(shè)置為±10%。

表1 設(shè)計(jì)變量設(shè)置

以前座盤跳高、駐鋤前后位移、駐鋤跳高、下架角位移和下架角速度5個(gè)參數(shù)為目標(biāo)函數(shù)(響應(yīng))。

表2 擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)

輸出Html結(jié)果文件可得到擬合的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及各因素對響應(yīng)的影響結(jié)果。其中，各因素對駐鋤跳高的靈敏度分析如表3所示。

表3 駐鋤跳高靈敏度分析結(jié)果

根據(jù)以上靈敏度分析結(jié)果可以得到對火炮射擊穩(wěn)定性影響由大至小的前10個(gè)設(shè)計(jì)變量為：炮尾質(zhì)心垂直坐標(biāo)、炮尾質(zhì)量、炮尾質(zhì)心水平坐標(biāo)、左座板質(zhì)心水平坐標(biāo)、右座板質(zhì)心水平坐標(biāo)、方向機(jī)等效剛度、前座板質(zhì)心水平坐標(biāo)、右座板等效阻尼、左座板等效阻尼、右座板等效剛度。

3 射擊穩(wěn)定性優(yōu)化

采用小生境遺傳算法(NPGA)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。一般的遺傳算法有選擇、交叉和變異3種操作。小生境方法主要體現(xiàn)在選擇操作的不同。主要思路是：個(gè)體之間的相似程度決定共享函數(shù)值的大小，當(dāng)個(gè)體之間比較相似時(shí)，其共享函數(shù)值比較大；反之，則小。通過把共享函數(shù)值大的個(gè)體的適應(yīng)度調(diào)小，在群體的進(jìn)化過程中，算法依據(jù)調(diào)整后的新適應(yīng)度來進(jìn)行選擇操作，減小了相似個(gè)體的選中概率，達(dá)到維護(hù)群體多樣性的目的[8]。遺傳算法相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 遺傳算法參數(shù)表

3.1 數(shù)值計(jì)算控制

NPGA與ADAMS聯(lián)合優(yōu)化如圖3所示。圖中acf文件為ADAMS/Solver數(shù)值計(jì)算控制文件；bat文件為批處理文件；adm文件包含了實(shí)時(shí)模型信息。圖中虛線部分為單次數(shù)值計(jì)算，計(jì)算輸出通過自定義設(shè)置結(jié)果輸出的req文件實(shí)現(xiàn)。

3.2 優(yōu)化分析

對5個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，總目標(biāo)函數(shù)可表示為：

f=min(Ψ)

(2)

式中，

(3)

式中：hqzp為前座盤跳高；hzc為駐鋤跳高；yzc為駐鋤水平位移；ωxj為下架角速度；θxj為下架角位移；hqzp0、hzc0、yzc0、ωxj0、θxj0分別為各目標(biāo)函數(shù)初值；α、β、γ、λ、μ分別為各項(xiàng)加權(quán)系數(shù)，根據(jù)各目標(biāo)的重要程度并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定各值。并且

α+β+γ+λ+μ=1

(4)

適應(yīng)度函數(shù)為

(5)

該算法可得到多組設(shè)計(jì)方案，綜合考慮挑選出一組最為合理的，如表5所示。

表5 優(yōu)化結(jié)果

其中，前座盤跳高優(yōu)化前后的變化曲線如圖4所示，可以看出座盤位移峰值降低12%左右，并且曲線變化平穩(wěn)，座盤跳高得到了優(yōu)化。

4 結(jié)論

通過ADAMS/View與ADAMS/Insight兩者結(jié)合，進(jìn)行靈敏度分析。從17個(gè)火炮總體參數(shù)中篩選出10個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。運(yùn)用Fortran編譯程序調(diào)用ADAMS/Solver進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。結(jié)果表明，前座盤跳高有了較為明顯的降低，對駐鋤跳高也有了有效的控制，火炮射擊穩(wěn)定性得到了提高。

另外，射擊穩(wěn)定性與炮口擾動(dòng)有著密切的關(guān)系，本文僅對射擊穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化分析，并未考慮各設(shè)計(jì)變量對炮口擾動(dòng)的影響。

References)

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OverallStructureParametersSensitivityAnalysisandOptimizationofaGunFiringStability

WANG Fei，YANG Guolai，GE Jianli，ZHOU Le

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

Firing stability sensitivity analysis and its optimization problems of a gun were detailed researched. The gun firing stability was analyzed by use of establishing the rigid-flexible coupled dynamics model of the gun. The gun firing stability sensitivity analysis model was built up to carry out the overall parameters sensitivity analysis so as to find out the design variables that have major influence on the firing stability. The gun firing stability was optimized by use of the genetic algorithm. The study effectively reduces the vertical displacement of front baseplate of the lower carriage, enhances the firing stability, and it can provide theoretical basis for the overall design of the gun.

gun; dynamics analysis; sensitivity analysis; multi-object optimization

2014-05-28；

2014-07-16

基金項(xiàng)目：“973”計(jì)劃項(xiàng)目(51319702)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11172139)

王飛(1989-)，男，碩士研究生，主要從事多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。E-mail：112010217@njust.edu.cn

TJ303

A

1673-6524(2014)04-0058-04