某車載155mm火炮射擊穩(wěn)定性仿真

杜中華，吳向東，黃濤

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

0 引 言

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)公路里程的增加和公路質(zhì)量的提高，輪式自行火炮得到了普遍重視和發(fā)展，如南非的G6。考慮到大口徑火炮主要用于遠(yuǎn)程火力壓制，炮塔防護(hù)的必要性不強(qiáng)，為進(jìn)一步提高火炮機(jī)動(dòng)性，出現(xiàn)了沒(méi)有炮塔，將火炮直接放置于卡車上的車載火炮，典型的如法國(guó)的“愷撒”（圖1）。車載155 mm 火炮威力大、重量輕，是典型的“小車扛大炮”裝備，故射擊穩(wěn)定性是個(gè)核心問(wèn)題。車載火炮的射擊穩(wěn)定性不但涉及火炮內(nèi)彈道參數(shù)和反后坐裝置參數(shù)，還涉及車體的緩沖參數(shù)，呈現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)變特征，用常規(guī)數(shù)值分析方法分析比較困難。基于多體力學(xué)的虛擬樣機(jī)技術(shù)能將火炮射擊過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況直觀地反映出來(lái)，為研究車載火炮的射擊穩(wěn)定性提供了一種便捷的技術(shù)手段［1-2］。本文借助多體力學(xué)軟件ADAMS 建立了某車載155 mm 火炮的虛擬樣機(jī)，通過(guò)射擊仿真，得到了全炮受力、車體位姿、車體振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)特性，重點(diǎn)分析了車體的穩(wěn)定性，為該型火炮設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖1 法國(guó)“愷撒”155mm 車載炮

1 虛擬樣機(jī)模型

虛擬樣機(jī)采用多體力學(xué)軟件ADAMS 建立剛體并添加約束，炮膛合力和反后坐裝置各力的計(jì)算由于比較復(fù)雜采用Fortran 程序編成計(jì)算模塊并在ADAMS 中調(diào)用。同時(shí)針對(duì)研究目的，對(duì)火炮模型進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化處理［1-2，6］。

1.1 主要?jiǎng)傮w和約束

樣機(jī)中涉及的主要?jiǎng)傮w包括炮身、搖架、上架、車體（包括駕駛室、彈藥架）、輪胎、駐鋤等。炮身與搖架間采用直線移動(dòng)副；搖架與上架、上架與車體、車體與駐鋤間采用固定副；車輪與地面、駐鋤與地面間定義為帶摩擦的實(shí)體接觸，如圖2 所示。各剛體以實(shí)際質(zhì)量和慣量特性賦值，全炮總重25 t。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

1.2 主要力學(xué)模型

樣機(jī)中涉及的力學(xué)模型主要有炮膛合力Ppt、駐退機(jī)力φ0（復(fù)進(jìn)時(shí)為φ0f和φf(shuō)f）、復(fù)進(jìn)機(jī)力Pf等［3-5］。

對(duì)后坐部分（主要是炮身）而言，存在微分方程

對(duì)全炮而言，后坐時(shí)主動(dòng)力簡(jiǎn)化為后坐阻力R（彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期和后效期還有Ppt·e），復(fù)進(jìn)時(shí)主動(dòng)力簡(jiǎn)化為復(fù)進(jìn)合力r。

相對(duì)牽引火炮來(lái)說(shuō)，車載炮自身較重，而復(fù)進(jìn)合力較小，故火炮的復(fù)進(jìn)穩(wěn)定性通常都能滿足，要著重考察后坐時(shí)的穩(wěn)定性，后坐時(shí)全炮的穩(wěn)定條件為：

1.3 車輪懸掛裝置的簡(jiǎn)化

實(shí)際車體與車輪之間是靠板簧來(lái)緩沖的，將其簡(jiǎn)化如圖3 所示。在車體上設(shè)定一個(gè)無(wú)質(zhì)量環(huán)，該環(huán)與車體間添加旋轉(zhuǎn)副，同時(shí)添加一個(gè)扭簧，防止車體的大范圍偏轉(zhuǎn)；無(wú)質(zhì)量環(huán)與車輪間添加直線移動(dòng)副，且添加直線彈簧模擬板簧的緩沖作用。這樣的簡(jiǎn)化模型可以模擬車體前后的俯仰。

圖3 車輪懸掛裝置簡(jiǎn)化模型

1.4 駐鋤模型的簡(jiǎn)化

將駐鋤簡(jiǎn)化為如圖4 所示結(jié)構(gòu)，駐鋤借助一個(gè)下平面和一個(gè)后平面與土壤作用來(lái)抵消射擊時(shí)火炮的向下和向后運(yùn)動(dòng)，考慮到射擊后駐鋤后面土壤的壓實(shí)效應(yīng)，在駐鋤與前面土壤間留有小間隙。駐鋤與土壤、車輪與土壤間的實(shí)體接觸采用以庫(kù)侖公式描述的彈簧阻尼器模型。

1.5 車體懸掛平衡的處理

圖4 駐鋤簡(jiǎn)化模型

車載火炮在平時(shí)放置時(shí)，在重力作用下，車體要下降一段距離，板簧受壓，達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。這一情況可以采用兩種方式處理。第一種方式是動(dòng)力學(xué)分析前，先進(jìn)行靜平衡分析；第二種方式是先靜置火炮，待車體下降平衡后，再施加射擊載荷。本文采用第二種方式進(jìn)行處理，靜置火炮0.3 s 后再行射擊。

此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將炮膛合力和反后坐裝置作用力均布置在射面內(nèi)，忽略復(fù)進(jìn)時(shí)的開(kāi)閂阻力?；鹋谝阅逞b藥號(hào)向正前方射擊，射擊角度取最小射角15°（最不穩(wěn)定的射角），仿真時(shí)間為1.7 s。最終建立的虛擬樣機(jī)模型如圖2 所示。

2 射擊穩(wěn)定性仿真

仿真得到后坐部分的位移和速度曲線分別如圖5 和圖6 所示。復(fù)進(jìn)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于后坐時(shí)間，后坐速度遠(yuǎn)大于復(fù)進(jìn)速度。由前述理論模型知，后坐位移X 和后坐速度V 直接影響到各力，并最終影響射擊穩(wěn)定性。

后坐時(shí)期炮膛合力Ppt和后坐阻力R 對(duì)比圖以及后坐阻力放大圖如圖7 和圖8 所示。反后坐裝置將作用于炮身上峰值極大的炮膛合力轉(zhuǎn)換到作用于炮架上的峰值極小的后坐阻力，峰值減小到原來(lái)的1/15 左右。R 越小，火炮后坐時(shí)射擊穩(wěn)定性越好。復(fù)進(jìn)時(shí)期，復(fù)進(jìn)合力如圖9 所示，后坐部分先加速?gòu)?fù)進(jìn)，再減速?gòu)?fù)進(jìn)。加速?gòu)?fù)進(jìn)時(shí)期的R 遠(yuǎn)小于慣性后坐時(shí)期的（見(jiàn)圖8），兩種情況下受力狀況相同，故保證了后坐時(shí)期的穩(wěn)定性，加速?gòu)?fù)進(jìn)時(shí)期的穩(wěn)定性自然得到保證；減速?gòu)?fù)進(jìn)時(shí)期，火炮有前翻的趨勢(shì)，但是由于R 數(shù)值很小，車載炮自身較重，故火炮前翻的情況基本不會(huì)出現(xiàn)。

圖5 后坐部分位移

圖6 后坐部分速度

圖7 炮膛合力和后坐阻力

車體質(zhì)心位置水平和垂直位移分別如圖10 和圖11所示?？梢钥闯?，靜平衡后，車體位置下移；射擊時(shí)，在水平方向上，車體先向后移動(dòng)，當(dāng)駐鋤與后方土壤接觸后，車體又向前移動(dòng)，當(dāng)后坐部分復(fù)進(jìn)到位時(shí)，炮身對(duì)炮架的沖擊使得車體驟然向前運(yùn)動(dòng)，駐鋤與前方土壤接觸后，車體又向后移動(dòng)。總體上，射擊后車體在水平方向上要略向前移動(dòng)一點(diǎn)。在垂直方向上，射擊時(shí)，車體質(zhì)心要向上跳起，而后落下并逐漸回到平衡位置。

為考察車體姿態(tài)的前后俯仰情況，前后3 個(gè)車輪質(zhì)心的垂直位移變化如圖12 所示。前車輪和中車輪由于位置靠前（見(jiàn)圖2），射擊時(shí)向上跳起，后車輪位置靠后，射擊時(shí)無(wú)明顯跳起現(xiàn)象，只是小幅度的上下顛簸。前車輪最大跳起量7.4 mm，實(shí)際上是微乎其微的，故該型火炮射擊時(shí)穩(wěn)定性還是比較好的。另外前車輪跳起比中車輪要高，說(shuō)明射擊時(shí)車體發(fā)生了前后旋轉(zhuǎn)。車體前后旋轉(zhuǎn)角度變化如圖13 所示，最大旋轉(zhuǎn)角度只有0.06°，這也說(shuō)明了火炮具有較好的射擊穩(wěn)定性。

圖8 后坐阻力

圖9 復(fù)進(jìn)合力

圖10 車體水平位移

圖11 車體垂直位移

圖12 車輪質(zhì)心垂直位移

進(jìn)一步考察射擊時(shí)車體駕駛室的震動(dòng)情況。駕駛室中心位置處的水平和垂直加速度分別如圖14和圖15 所示。兩個(gè)方向的震動(dòng)都表現(xiàn)為兩個(gè)波次，第一波次在射擊開(kāi)始的一段時(shí)間，第二波次在后坐部分復(fù)進(jìn)到位后的一段時(shí)間。水平震動(dòng)的最大峰值出現(xiàn)在駐鋤與后土壤接觸時(shí)，垂直震動(dòng)的最大峰值出現(xiàn)在前車輪跳起落地的瞬間。

3 結(jié) 論

車載155 mm火炮作為典型的“小車扛大炮”裝備，射擊穩(wěn)定性是個(gè)核心問(wèn)題。虛擬樣機(jī)能夠直觀顯示火炮射擊時(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)情況，是研究車載火炮射擊穩(wěn)定性的一種便捷的技術(shù)。本文在合理簡(jiǎn)化火炮模型基礎(chǔ)上，建立了某車載155 mm 火炮的虛擬樣機(jī)模型，研究了火炮射擊過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，如后坐部分運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定性相關(guān)各力、車體駕駛室震動(dòng)等，重點(diǎn)研究了射擊時(shí)車體的位姿變化，也就是射擊穩(wěn)定性問(wèn)題。研究表明，該火炮在最小射角射擊時(shí)，火炮車體要發(fā)生微小旋轉(zhuǎn)，前車輪跳起幅度很小，火炮具有較好的射擊穩(wěn)定性。

圖13 車體前后旋轉(zhuǎn)角度

圖14 駕駛室中心水平加速度

圖15 駕駛室中心垂直加速度

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