遙控武器站總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

毛保全，徐 禮，吳永亮，戴東明

(裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072)

遙控武器站是一種可安裝在主戰(zhàn)裝甲平臺(tái)上的相對(duì)獨(dú)立的模塊化武器系統(tǒng)［1］，射手通過遙控操作的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索、識(shí)別、跟蹤、瞄準(zhǔn)和射擊等功能［2］。起始擾動(dòng)是影響遙控武器站射擊精度的重要因素［3］，為減小起始擾動(dòng)，某遙控武器站采用了柔性托架結(jié)構(gòu)，并在搖架前端安裝了一個(gè)具有一定剛度的支撐架以限制身管的振動(dòng)。射擊時(shí)，主要部件的質(zhì)量和剛度、部件之間的配合間隙、動(dòng)力偶臂、支撐架支撐點(diǎn)位置及與身管的配合間隙、左右耳軸的安裝位置和緩沖簧的剛度阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)起始擾動(dòng)產(chǎn)生重要影響。筆者基于某遙控武器站，運(yùn)用ADAMS和ANSYS軟件的二次開發(fā)語(yǔ)言編寫了求解炮口振動(dòng)的程序，分析了總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)起始擾動(dòng)的影響，并利用多學(xué)科集成優(yōu)化平臺(tái)Model-Center，采用遺傳算法對(duì)某遙控武器站總體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了在滿足一定戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)下具有較小炮口起始擾動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)方案，為提高某遙控武器站射擊精度提供了切實(shí)可靠的技術(shù)途徑。

1 遙控武器站系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

為分析支撐架、耳軸軸承和托架等部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)炮口起始擾動(dòng)的影響，需要建立參數(shù)化實(shí)體模型和有限元模型，并通過集成優(yōu)化軟件ModelCenter與發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型集成。通過改變相關(guān)參數(shù)，可以調(diào)整支撐架支撐點(diǎn)位置、與身管之間的間隙、質(zhì)量、等效剛度和阻尼，耳軸安裝位置以及耳軸軸承間隙，托架的質(zhì)量、等效剛度和阻尼等屬性。

1.1 遙控武器站三維實(shí)體模型

遙控武器站三維實(shí)體模型在Pro/E中建立，支撐架支撐點(diǎn)位置以及與身管的間隙、耳軸軸承間隙等尺寸參數(shù)可利用Pro/E的參數(shù)化建模功能構(gòu)建。支撐架支撐點(diǎn)位置通過改變支撐架長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn);支撐架與身管之間的間隙大小通過調(diào)整支撐架的支撐孔直徑來(lái)實(shí)現(xiàn);軸承間隙和安裝位置通過改變軸承內(nèi)圈的直徑及質(zhì)心點(diǎn)在動(dòng)力學(xué)模型中的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ModelCenter提供了專門的Pro/E組件封裝插件，在Pro/E模型的基礎(chǔ)上可以方便快捷地提取模型中的參數(shù)并建立遙控武器站Pro/E模型組件，其運(yùn)行結(jié)果為動(dòng)力學(xué)仿真組件提供CAD模型文件。

1.2 支撐架和托架參數(shù)化有限元模型

運(yùn)用ANSYS APDL語(yǔ)言創(chuàng)建參數(shù)化的分析流程是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。本文在支撐架和托架參數(shù)化三維模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用APDL語(yǔ)言建立了支撐架和托架參數(shù)化有限元模型，并生成ADAMS動(dòng)力學(xué)模型需要的柔性體中性文件。

對(duì)支撐架，建模時(shí)采用8節(jié)點(diǎn)solid45單元。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，在支撐架與搖架固定處、與身管接觸處等關(guān)鍵部件適當(dāng)增加了網(wǎng)格的密度。在支撐架與身管和搖架的接觸面定義了剛性區(qū)域，并定義了外部節(jié)點(diǎn)，用來(lái)在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中與剛體部件的連接，同時(shí)也是瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中的載荷加載節(jié)點(diǎn)。整個(gè)有限元模型共有14 734個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中有8個(gè)外部節(jié)點(diǎn)。

托架模型比較復(fù)雜，可以采用在ANSYS Work-Bench中劃分網(wǎng)格、設(shè)置剛性區(qū)域和剛性連接點(diǎn)并進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，將分析文件(ds.dat)導(dǎo)入ANSYS中并生成柔性體中性文件。

托架結(jié)構(gòu)、材料屬性等參數(shù)的修改方法采用Python語(yǔ)言編寫，DS分析文件導(dǎo)入ANSYS及柔性體文件的生成方法采用APDL語(yǔ)言編寫。

1.3 遙控武器站剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)某遙控武器站的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，將武器系統(tǒng)簡(jiǎn)化成由身管、自動(dòng)機(jī)組件、托架、炮床、搖架、耳軸、觀瞄系統(tǒng)組件、彈箱組件、座圈、高低機(jī)、高低機(jī)主齒輪、支撐架、身管緩沖簧和彈丸等24個(gè)構(gòu)件組成的多體系統(tǒng)。建模時(shí)主要考慮以下因素。

1)將身管、托架和支撐架視為柔性體，其他構(gòu)件均作剛體處理。支撐架和托架柔性體中性文件由前述參數(shù)化有限元模型生成;身管柔性體中性文件直接運(yùn)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)分析，并在ANSYS中生成，不作參數(shù)化處理。將生成的所有柔性體中性文件導(dǎo)入ADAMS軟件，建立全系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

2)考慮身管與彈丸之間的相互作用，高低機(jī)主齒輪與搖架齒弧之間的彈性碰撞，在ADAMS軟件中定義Flex Body to Solid接觸;考慮耳軸軸承間隙以及支撐架與身管之間、自動(dòng)機(jī)組件與搖架滑槽之間的間隙，這些構(gòu)件之間定義Solid to Solid接觸［4］。

3)遙控武器站射擊時(shí)的主動(dòng)力為膛內(nèi)火藥氣體壓力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的膛壓數(shù)據(jù)，在ADAMS中定義主動(dòng)力的大小。

根據(jù)射擊試驗(yàn)測(cè)得的托架振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，模型具有較高的可信度。通過仿真得到炮口振動(dòng)的位移和速度以及角位移和角速度等參數(shù)。

在前述動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ModelCenter的快速封裝工具QuickWrap對(duì)ADAMS的cmd文件和ANSYS的APDL命令流文件進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)遙控武器站動(dòng)力學(xué)模型的集成。運(yùn)用ADAMS二次開發(fā)語(yǔ)言，在cmd文件中添加耳軸軸承三維模型文件(*.igs文件)的讀取命令，ALIGN()、ABS()函數(shù)等后處理語(yǔ)句，并通過numeric_results write和file fea_loads wirite語(yǔ)句自動(dòng)輸出需要的炮口振動(dòng)參數(shù)和載荷參數(shù)。在ModelCenter環(huán)境中，cmd文件和APDL命令流文件中的參數(shù)可以提取，通過修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)仿真模型的自動(dòng)修改和仿真過程控制。

2 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

影響炮口起始擾動(dòng)的主要因素是彈丸出炮口時(shí)的炮口線位移、線速度、角位移和角速度［5-6］，因此，本文優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可確定為上述4個(gè)，屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題，可采用線性加權(quán)方法將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為2個(gè)，并進(jìn)行歸一化處理，即

式中:dh、dz、ah、az分別為炮口橫向和縱向的線位移和角位移;dh0、dz0、ah0、az0分別為炮口橫向和縱向的線位移和角位移的初始值;vh、vz、ωh、ωz分別為炮口橫向和縱向的線速度和角速度;vh0、vz0、ωh0、ωz0分別為炮口橫向和縱向的線速度和角速度的初始值;α和β分別為炮口線位移(速度)和角位移(速度)的加權(quán)系數(shù)，取 α =70%，β =30%［7］。

2.2 設(shè)計(jì)變量

由前面的分析可知:遙控武器站系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)變量很多(21個(gè))，需要進(jìn)行靈敏度分析，選取靈敏度高的變量作為設(shè)計(jì)變量。本文采用Model-Center中的基于拉丁超立方(Latin hypercube sampling)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靈敏度分析，得到各變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的靈敏度，如圖1、2所示。

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果確定設(shè)計(jì)變量為:支撐架與身管的間隙、支撐架長(zhǎng)度、支撐架彈性模量、緩沖簧剛度和阻尼、動(dòng)力偶臂、耳軸的位置、自動(dòng)機(jī)和搖架的質(zhì)量、托架的質(zhì)量和彈性模量。

2.3 約束條件

根據(jù)遙控武器站的功能要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工工藝可得到約束條件如下:支撐架質(zhì)量Mz≤20 kg;耳軸軸承距離50 mm≤Le≤120 mm;支撐架和托架最大應(yīng)力σm1、σm2≤350 MPa。

2.4 優(yōu)化算法

ModelCenter提供了基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化器(Darwin)，該優(yōu)化器提供了廣泛的遺傳算子和多收斂準(zhǔn)則，適于求解由離散設(shè)計(jì)變量或連續(xù)設(shè)計(jì)變量定義的全局優(yōu)化問題，本文的多目標(biāo)優(yōu)化問題選用此優(yōu)化器求解。

3 優(yōu)化與分析

將上述各組件在ModelCenter軟件中集成，并建立遙控武器站總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)。運(yùn)用遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化器Darwin建立優(yōu)化模型，選取種群數(shù)量為70，計(jì)算最大的遺傳代數(shù)為500，終止條件為遺傳代數(shù)為67代后未能進(jìn)化，變異概率為0.05，交叉概率為0.95。優(yōu)化結(jié)果見表1，目標(biāo)函數(shù)收斂情況如圖3所示。

表1 設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)初始值與優(yōu)化值

由表1可知:優(yōu)化后支撐架的長(zhǎng)度為1 123.7 mm，與身管間隙為0.997 mm;自動(dòng)機(jī)質(zhì)量與原方案相當(dāng)，搖架質(zhì)量增加了7.3%;左耳軸(彈箱處)軸承往身管軸線位置移動(dòng)了4.6 mm，動(dòng)力偶臂(高低向)增加了10.34 mm;托架質(zhì)量較原方案降低了5.68%，托架剛度降低了5.9%，與位移相關(guān)的起始擾動(dòng)和與速度相關(guān)的起始擾動(dòng)分別較原方案降低了17.05%和19.04%。原方案與優(yōu)化后方案部分炮口振動(dòng)特性對(duì)比如圖4-9所示。

圖3 目標(biāo)函數(shù)收斂情況

由圖4-9可看出:優(yōu)化后的炮口線位移、線速度和角速度較原方案都有一定的降低，炮口振動(dòng)快速減緩，更有利于下一發(fā)彈射擊。

4 結(jié)論

本文基于多學(xué)科集成優(yōu)化軟件ModelCenter，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)遙控武器站進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，為改善遙控武器站總體性能提供了一種新的方法。從優(yōu)化結(jié)果看，遙控武器站炮口擾動(dòng)大大減小，對(duì)提高遙控武器站射擊精度具有一定的參考價(jià)值。

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