基于仿真設(shè)計(jì)的坦克炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究

余　澤

（65426部隊(duì)裝甲裝備科，150080）

基于仿真設(shè)計(jì)的坦克炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究

余澤

（65426部隊(duì)裝甲裝備科，150080）

本文首先分析了坦克炮發(fā)射全過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，并通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，構(gòu)建了坦克炮發(fā)生全過(guò)程的各種模型，以此為坦克炮設(shè)計(jì)人員運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)坦克炮的核心心梗進(jìn)行分析，就設(shè)計(jì)方案予以修改與確定，以及我國(guó)后續(xù)裝甲裝備的評(píng)估、論證與研制，提供了全面、科學(xué)且多元的技術(shù)途徑與科學(xué)方法。

坦克炮；仿真設(shè)計(jì)；發(fā)射動(dòng)力學(xué)

經(jīng)諸多研究及實(shí)驗(yàn)可知，炮口擾動(dòng)乃是對(duì)坦克炮射擊精度造成影響的關(guān)鍵因素。當(dāng)坦克炮在發(fā)射過(guò)程中，結(jié)構(gòu)相應(yīng)彈性變形較大影響著炮口擾動(dòng)，尤其是身管受到彈丸作用力、高溫高壓火藥氣體壓力以及自身重力等方面的共同作用，就會(huì)形成十分顯著的彎曲振動(dòng)及彈性變形。而身管所存在的柔性特性，則會(huì)對(duì)射擊過(guò)程當(dāng)中炮口擾動(dòng)的具體幅度造成影響，進(jìn)而對(duì)火炮射擊精度造成影響，若采用多剛體模型，則難以對(duì)身管的此種彈性特性進(jìn)行模擬。所以在坦克射擊時(shí)，對(duì)其展開(kāi)細(xì)致化的動(dòng)力學(xué)仿真，需將身管彈性特性考慮其中，構(gòu)建坦克炮具體的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。此乃將此目標(biāo)達(dá)成的重要方法。

1　以ANSYS為基礎(chǔ)的坦克炮身管模態(tài)

1.1構(gòu)建身管有限元模型

身管有限元模型乃是對(duì)身管模態(tài)分析予以構(gòu)建的基礎(chǔ)，基于三維建模軟件Pro/E當(dāng)中，通過(guò)對(duì)身管三維實(shí)體模型的構(gòu)建，然后把實(shí)體模型完成在ANSYS有限元軟件中的導(dǎo)入工作。在ANSYS當(dāng)中，對(duì)身管材料的屬性進(jìn)行定義，運(yùn)用實(shí)體單元，于搖架與身管相應(yīng)接觸面，增加一定的約束，并網(wǎng)絡(luò)化劃分身管模型，最終便可建立身管的有限元模型。完成劃分之后，則有限元模型共有單元數(shù)9382個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)13523個(gè)。

1.2得出身管模態(tài)參數(shù)

基于有限元模型，可選用模態(tài)分析類型，運(yùn)用Boock Lanczos模態(tài)提取法，求解模態(tài)。因?yàn)楦唠A模態(tài)幾乎不會(huì)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)造成影響，因此，只需將前10階模態(tài)予以提取，表1為身管各個(gè)階模態(tài)頻率及經(jīng)計(jì)算所得出的振動(dòng)周期。

身管1，3，5階模態(tài)振型，均與橫向的變形相接近；而2，4，6階模態(tài)振型，則與縱向變形接近。在知道身管各種激勵(lì)狀況下，通過(guò)分析身管模態(tài)參數(shù)，可以為防止出現(xiàn)身管共振現(xiàn)象，提供更加全面的參考依據(jù)。此外，如若知道各種彈丸與出跑瞬間所需時(shí)間，則可優(yōu)化身管約束模態(tài)相應(yīng)振動(dòng)周期，促使彈丸出炮口具有最小的瞬間身管振動(dòng)峰值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)射擊精度的提升。

表1　某型坦克炮身管前10階約束模態(tài)的頻率

2　以ANSYS為基礎(chǔ)的坦克仿真模型的構(gòu)建

2.1構(gòu)建坦克整車多剛體模型

（1）構(gòu)建坦克底盤部分多剛體模型。ATV作為以ADAMS為基礎(chǔ)的履帶車輛仿真模塊，對(duì)于坦克的底盤部分而言，其便是以ATV模塊為基礎(chǔ)得以構(gòu)建的。ATV建立的基礎(chǔ)便是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其不僅將各種履帶車輛的模型予以提供，且在模型當(dāng)中，已經(jīng)假定了各物體的連接特性、質(zhì)量特性及尺寸等。當(dāng)構(gòu)建模型時(shí)，秩序從數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中完成數(shù)據(jù)的調(diào)出，依據(jù)坦克結(jié)構(gòu)所具有的幾何尺寸及實(shí)際連接關(guān)系，開(kāi)展相應(yīng)修改，然后將修改之后所得出的數(shù)據(jù)，重新輸入至數(shù)據(jù)庫(kù)，ATV便會(huì)將底盤部分多剛體模型相應(yīng)構(gòu)建工作自動(dòng)完成。底盤部分的動(dòng)力學(xué)模型。（2）構(gòu)建坦克武器系統(tǒng)部分的多剛體模型。首先，通過(guò)運(yùn)用Pro/E軟件，將反后坐裝置、炮身、搖架及炮塔等三維實(shí)體模型予以構(gòu)建；其次，利用接口程序Mechanisn/Pro，在ADAMS中完成實(shí)體模型相應(yīng)導(dǎo)入工作，而在其中將載荷及約束完成添加，使之成為一個(gè)完整的動(dòng)力學(xué)模型。把構(gòu)建的武器系統(tǒng)部分多剛體模型與底盤部分多剛體模型，完成后續(xù)的組裝你工作。此模型運(yùn)動(dòng)機(jī)件為245個(gè)，平面副2個(gè)，滑移副2個(gè)，旋轉(zhuǎn)副38個(gè)，圓柱副2個(gè)，自由度1223個(gè)，約束方程251個(gè)。

2.2構(gòu)建坦克整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

基于身管有限元模型，于約束處構(gòu)建外界節(jié)點(diǎn)，并對(duì)身管施加一定的載荷，然后運(yùn)用此剛性區(qū)域，對(duì)此節(jié)點(diǎn)于周圍相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。如果此處沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，則需另外構(gòu)建關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)其實(shí)施網(wǎng)格劃分，進(jìn)而得出節(jié)點(diǎn)。在對(duì)外部節(jié)點(diǎn)選擇過(guò)程中，將身管質(zhì)量、載荷信息、振型、頻率及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模態(tài)中性文件予以輸出，并于坦克整車剛體模型當(dāng)中，對(duì)模態(tài)中性文件進(jìn)行讀取，并用柔性化身管代替剛性化身管，最終變得獲取整車相應(yīng)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

3　仿真計(jì)算及結(jié)果

常溫穿甲彈射擊、方向射角0°、高低射角0°及主動(dòng)輪制動(dòng)，乃為模型仿真計(jì)算所持有的邊界條件?？芍跅l件相同情況下，坦克炮后坐速度與后坐位移，所得出的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值之間的比較情況，可知二者在一致性上較好。

通過(guò)試驗(yàn)與仿真，便可得到的最大后坐速度V max及最大后坐位移Smax，另外，還可得到二者之間相對(duì)溫差，見(jiàn)表2。兩者相對(duì)誤差為1.1%、1.8%，由此可知，明坦克整車剛?cè)狁詈夏Ｐ退贸龅脑囼?yàn)值及仿真結(jié)果在一致性上較好。

表2　最大后坐速度與最大后坐位移測(cè)試值與仿真值

對(duì)于炮口動(dòng)態(tài)響應(yīng)而言，則選取彈丸線速度及出炮口瞬間炮口垂向振動(dòng)線位移作為開(kāi)展研究的具體對(duì)象。通過(guò)分析1.2節(jié)模態(tài)振型圖可知，在整個(gè)坦克整車剛?cè)狁詈夏Ｐ彤?dāng)中，將對(duì)仿真運(yùn)動(dòng)造成最小影響的模態(tài)予以關(guān)閉，并對(duì)坦克炮剛?cè)狁詈夏Ｐ拖鄳?yīng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行仿真，另外，對(duì)多剛體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真處理，可得出，在條件相同的情況下，多剛體模型及剛?cè)狁詈夏Ｐ驮谂诳邳c(diǎn)線速度與垂向振動(dòng)線位移比較的情況。為便于二者對(duì)比，特選用多剛體模型及剛?cè)狁詈夏Ｐ?，針?duì)炮口點(diǎn)垂向振動(dòng)曲線相應(yīng)起始點(diǎn)，對(duì)其實(shí)施平移，使其至于原點(diǎn)。現(xiàn)實(shí)上，多剛體模型炮口點(diǎn)垂直方向所具有的初始位移是-0.0513m，剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣t為-0.0637m，此種差異造成因素為身管的彈性變形。

剛?cè)狁詈夏Ｐ驮诖瓜蛘駝?dòng)線在位移方面所具有的最大變化量是0.0298m，多剛體模型為0.204m，二者相比增加幅度達(dá)0.0528m，其與現(xiàn)實(shí)情況相應(yīng)趨勢(shì)相一致。剛?cè)狁詈夏Ｐ驮诰唧w的垂向振動(dòng)頻率方面，相比于剛體模型，要明顯小于后者，究其原因，主要是柔性體阻尼起到了一定作用，至此，剛?cè)狁詈夏Ｐ湍軌驅(qū)ΜF(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)炮口擾動(dòng)所造成的影響給予反應(yīng)，將身管的柔性特性考慮其中，可促進(jìn)坦克炮在射擊當(dāng)中相應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真精度的顯著提高。

3　結(jié)語(yǔ)

采用計(jì)算機(jī)坦克火炮發(fā)射的全過(guò)程進(jìn)行仿真，其最終仿真結(jié)果十分接近于實(shí)際情況，可對(duì)坦克性能進(jìn)行定量與系統(tǒng)評(píng)價(jià)。通過(guò)獲取某型坦克身管前10階振動(dòng)模態(tài)的振型及固有頻率，所得結(jié)果便可為坦克炮動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及響應(yīng)分析提供可靠依據(jù)。最終結(jié)果可知，將身管的柔性特性相應(yīng)剛?cè)狁詈夏Ｐ涂紤]其中，可實(shí)現(xiàn)坦克炮射擊過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真精度的有效提升。

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Kinetics emission gun simulation-based design of the tank

Yu Ze
（65426 troops Armored Equipment Division，150080）

This paper analyzes the tank gun fired the whole process of dynamic simulation technology，and through the use of computer simulation technology，the models constructed tank gun the whole process occurs，as a tank gun designers use computer core heart tank gun Terrier analyzed，be modified and determination，as well as follow-up assessment of armored equipment，demonstration and research program on the design，provides a comprehensive，scientific and technical approach and diverse scientific methods.

tank gun；simulation design；emission kinetics