火炮動力后坐試驗臺建模及射擊模擬準確度評估

楊玉良，秦俊奇，狄長春，鄧輝詠，張小嘎

(1.軍械工程學院，石家莊 050003；2.解放軍73101部隊, 江蘇 徐州 221008)

炮口強沖擊實現(xiàn)火炮動態(tài)后坐已成技術可行的火炮射擊模擬試驗方法。靶場定型試驗證明，幾乎所有火炮零部件破損均可用火炮動力模擬試驗裝置考核，包括因設計不合理、強度不夠、原材料選擇不合適、工藝條件不好等造成的損壞現(xiàn)象[1]。因此，需研制有效縮短火炮試驗周期，大幅減少火炮壽命、可靠性及安全性試驗用彈量火炮動力模擬試驗裝置。對此已有研究可行、等效的火炮發(fā)射模擬試驗技術及火炮動態(tài)后坐技術，以部分替代火炮實彈射擊試驗[2]。圖1為基于液壓、沖擊技術的火炮動力后坐試驗臺[3]工作原理，即質(zhì)量塊在液壓系統(tǒng)推動下，短時間內(nèi)獲得高速運動，通過波形發(fā)生器間接沖擊火炮口，推動火炮后坐，實現(xiàn)火炮發(fā)射過程的試驗模擬[4]。

本文以某自行火炮為對象，建立火炮動力后坐試驗臺虛擬樣機模型，并以曲線數(shù)值相似度及形狀相似度指標對該試驗臺射擊模擬準確度進行評估。

1.定位定平子系統(tǒng) 2.高低與距離調(diào)整子系統(tǒng) 3.動力系統(tǒng) 4.沖擊系統(tǒng) 5.波形發(fā)生器 6.某自行火炮

1 火炮動力后坐試驗臺建模

1.1 某自行火炮虛擬樣機建模

某自行火炮虛擬樣機模型含火力、底盤行走兩部分。火力部分含炮塔、搖架、身管、反后坐裝置等；行走部分包括雙側(cè)履帶、車體，每側(cè)履帶由1個主動輪、6個負重輪及負重輪平衡肘、3個托帶輪、1個誘導輪及誘導輪肘、106塊履帶板組成，主動輪前置。所建虛擬樣機模型車長11.64 m、寬3.3 m、高3.18 m，總重42.5 t，共有剛體254個，運動自由度1305個。

1.1.1 履帶與地面相互作用力學模型[5-6]

履帶板與地面間作用通過接觸力函數(shù)impact定義，表達式為

(1)

1.1.2 扭力軸模型

扭力軸作為懸掛裝置中的彈性元件用于緩沖履帶車輛在行駛過程中地面對車體的沖擊。扭力軸模型可等效為作用在負重輪平衡肘與車體連接處力矩，表達式為

T=T0-k2(θ-θ0)

(2)

式中：T為扭力矩；k2為彈簧剛性系數(shù)；T0，θ0分別為初始扭矩與初始扭轉(zhuǎn)角；θ為扭力軸扭轉(zhuǎn)角。

1.1.3 液氣懸掛裝置模型

液氣懸掛裝置由蓄壓器與動力缸組成，主要用于吸收、衰減車體振動，亦即扭力軸作用的補充。據(jù)液氣懸掛特點，用一阻尼器模型與一雙向力模擬液氣懸掛裝置力學特性，表達式為

(3)

式中：p0為初始充氣壓力；A1，A2分別為缸、蓄壓器有效作用面積；s0為蓄壓器中氣體初始長度；s為缸活塞產(chǎn)生的位移；m為氣體多變指數(shù)；c2為蓄壓器阻尼系數(shù)。

1.1.4 虛擬樣機模型驗證

反后坐裝置亦稱火炮心臟，各項動態(tài)參數(shù)為衡量火炮動態(tài)性能重要指標。選后坐時間thz，最大后坐位移hmax，最大后坐速度vh,max，復進時間tfj，最大復進速度vfj,max，復進到位速度vdw等動態(tài)參數(shù)對虛擬樣機模型進行定量驗證見表1。由表1知，火炮后坐動態(tài)參數(shù)仿真值與試驗值最大相差6.60 %，仿真結果滿足工程仿真值與設計值誤差不超過10%要求，驗證了火炮虛擬樣機模型的正確性。

1.2 動力系統(tǒng)建模

在ADAMS中建立動力系統(tǒng)虛擬樣機模型見圖2，主要包括液壓缸、沖擊質(zhì)量塊及支撐框架。在液壓缸活塞與缸體上下兩端面設置碰撞約束，在活塞桿前端添加圓形緩沖部分，與質(zhì)量塊間定義碰撞約束，在活塞桿及質(zhì)量塊軸線方向添加移動副，在質(zhì)量塊與支撐框架間定義滑動摩擦。

表1 后坐動態(tài)參數(shù)仿真值與試驗值比較

圖2 動力系統(tǒng)虛擬樣機模型

基于ADAMS及EASY5軟件建立動力系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。液壓缸為虛擬樣機模型與液壓系統(tǒng)模型耦合元件，兩模型通過連接在液壓缸的ADAMS/ Mechanism模塊進行數(shù)據(jù)交換，在液壓系統(tǒng)模型基礎上添加該模塊即可完成EASY5及ADAMS軟件連接。

1.3 波形發(fā)生器建模

在自行火炮模型、動力系統(tǒng)模型基礎上添加沖擊質(zhì)量塊，并賦予沖擊速度；在沖擊塊與炮身間設置波形發(fā)生器，用于緩沖沖擊，調(diào)整沖擊波形峰值及脈寬，建立火炮動力后坐試驗臺虛擬樣機模型。波形發(fā)生器采用三次函數(shù)型非線性彈簧及阻尼器模擬力學性能，表達式[7]為

(4)

2 動力學仿真

實彈射擊時，推動火炮后坐運動的主動力為作用于炮膛軸線方向炮膛合力Fpt；模擬射擊時，推動火炮后坐運動的主動力為由高速質(zhì)量塊撞擊炮口產(chǎn)生的沖擊力Fn。通過虛擬樣機仿真，獲得高速質(zhì)量塊撞擊炮口時火炮后坐位移、速度及加速度曲線，并與實彈射擊曲線對比，見圖3～圖5。

3 射擊模擬準確度評估

火炮動力后坐試驗臺共254個剛體，不可能對每個剛體模擬準確度進行評估。據(jù)火炮自身特點，炮身后坐動態(tài)特性能充分表征試驗臺運行狀態(tài)。因此評估試驗臺模擬準確度對炮身后坐模擬準確度考核即可。表征火炮后坐動態(tài)特性包括后坐位移、后坐速度及后坐加速度，三物理量實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)均為時間序列。因此，對模擬射擊過程進行準確度評估時，需對曲線數(shù)值及曲線形狀進行評估。

圖3 后坐位移對比

3.1 曲線數(shù)值相似度

(5)

曲線數(shù)值相似度定義為

S(X,X′)=[1-D(X,X′)]×100%

(6)

3.2 曲線形狀相似度

曲線形狀相似度可通過Prony變換提取曲線各分量頻率、阻尼、能量、相位等特征，利用直接比較實測曲線與仿真曲線在該特征差異評估仿真準確度[9]。對試驗臺在沖擊后坐時表現(xiàn)的強非線性Prony方法不適用，具有一定局限性。而利用規(guī)范系數(shù)法對單模型進行準確度評估[10]，因?qū)崪y數(shù)據(jù)存在微小噪聲擾動，易產(chǎn)生計算誤差，影響評估結果。因此，本文利用界標分界法能去除微小噪聲優(yōu)點，提出評估系統(tǒng)仿真準確度新方法，由曲線數(shù)值與曲線形狀對仿真結果進行評估。

曲線形態(tài)特征主要由拐點即局部極值點描述，稱拐點為曲線界標。利用界標可重新描述與原曲線極相似圖形。因此通過兩序列界標評估其形狀相似度，即為界標分界法基本思想[8]。界標分界法主要流程為

(1) 對時間序列規(guī)范化處理

(7)

(8)

(3) 將時間序列Y中前一數(shù)值與后一數(shù)值相乘，得新時間序列Z：

zi=yiyi+1

(9)

(10)

(11)

式中：函數(shù)L(?)表示時間序列長度；n為相似子序列個數(shù)。該方法能消除部分噪聲對形狀相似度影響，可有效比較兩條曲線形狀相似性。

3.3 模擬準確度評估

火炮后坐運動含三物理量的模擬準確度為

(12)

(13)

據(jù)實彈射擊值、模擬射擊仿真值分別計算實彈彈射擊與模擬射擊時后坐位移、速度、加速度曲線間數(shù)值相似度與形狀相似度，獲得3物理量模擬相似度，見表2。結合各物理量權重系數(shù)，獲得火炮動力后坐試驗臺對實彈射擊模擬準確度為0.865 4。因此，火炮動力后坐試驗臺能較準確模擬火炮實彈射擊時后坐動態(tài)特性。

表2 各物理量相似度計算值及權重系數(shù)

4 結 論

(1) 基于ADAMS/ATV軟件，建立某自行火炮虛擬樣機模型，并采用后坐主要動態(tài)參數(shù)對模型進行驗證；結合波形發(fā)生器，建立火炮動力后坐試驗臺虛擬樣機模型，獲得炮口強沖擊條件下后坐位移、速度及加速度仿真曲線。

(2) 通過用所提基于曲線數(shù)值相似度與形狀相似度的射擊模擬準確度評估方法評估表明，火炮動力后坐試驗臺能較準確模擬火炮實彈射擊的動態(tài)過程。并獲得火炮后坐動力后坐試驗臺對實彈射擊的模擬準確度為0.865 4。該方法可廣泛用于火炮裝備試驗及驗收。

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