輪式自行火炮底盤匹配與優化

羅中峰　徐　誠　徐亞棟

南京理工大學,南京,210094

輪式自行火炮底盤匹配與優化

羅中峰徐誠徐亞棟

南京理工大學,南京,210094

為解決輪式自行火炮底盤匹配問題，以某8×8輪式自行火炮為例提供了一套匹配優化方案。該方案采用多學科設計優化的思想，首先依據匹配要求將輪式自行火炮底盤匹配模型分解，規定各個子模型相應的功能，并建立優化模型;然后將單學科可行法優化策略引入輔助設計變量，選用由第二代非劣排序遺傳算法和序列二次規劃法構成的組合算法進行求解；最后通過計算實例驗證了方案的合理性。

輪式自行火炮;底盤;多學科優化設計;機動性;發射動力學;平順性

0　引言

現代戰爭特別是高科技條件下的局部戰爭對輪式自行火炮的戰術性能提出了越來越高的要求，這使得輪式自行火炮底盤的匹配與優化問題越來越突出。由于目前有關自行火炮的研究主要偏重于自行火炮某一性能[1-3]和火炮自身結構[4],因此輪式自行火炮底盤匹配與優化問題長期得不到解決。筆者基于多學科設計優化分析復雜系統的思想[5],以某8×8輪式自行火炮為例進行了輪式自行火炮底盤匹配與優化的研究工作。

1　學科分解與系統分析

1.1學科分解

本文以自行火炮作戰效能指標[6](圖1)為基礎進行輪式自行火炮底盤匹配與優化的學科分解。與底盤相關的指標如下：機動性能指標、毀傷能力指標中的發射精度和攜彈量、防護能力指標、設備維護指標中的運輸適應能力。攜彈量和防護能力用底盤載重量來衡量，載重量越大，攜帶彈藥和防護裝備的數目就越多，但同時也會降低自行火炮的機動性能；發射精度可以通過基于底盤的發射動力學模型來考查;運輸適應能力通過基于底盤的行駛平順性模型來考查。根據上述各個性能指標之間的關系和考查方式的不同，可以將輪式自行火炮底盤匹配與優化模型細分為以下3個基于底盤的子模型：機動性模型(考查機動性、載重量)、發射動力學模型、行駛平順性模型。

圖1　自行火炮作戰性能評估指標

1.2系統分析

圖2　自行火炮子系統耦合關系圖

自行火炮各子系統的耦合關系可用圖2表示。

1.2.1機動性模型

最大行駛速度(km/h)：

(1)

式中,ηt為行駛系統的總效率;PeN為動力裝置的最大輸出功率,kW;fv為地面變形阻力系數;δb為質量增加系數;m為自行火炮的戰斗全質量,t;g為重力加速度,m/s2。

單位質量功率(kW/t)：

Pm=ηtPeN/m

(2)

作戰行程(km)：

(3)

式中,Q為油箱容積,L;Hu為燃油低燃值;ρ為燃油密度,kg/m3;ηs為動力裝置的熱效率。

縱向坡度角[7]：

(4)

式中,Me為動力裝置的最大輸出扭矩,N·m；ic為自行火炮行駛系統的最大傳動比;r為車輪半徑,m。

最小制動距離[8]:

(5)

式中,φ為地面附著系數;CS為空氣阻力系數;AV為自行火炮在行駛方向的正投影面積,m2;ρs為環境大氣密度,kg/m3;vr為行駛過程中自行火炮相對空氣的速度,m/s。

自行火炮載重量即戰斗全質量減去火炮、懸掛和車輪的質量(t)：

m1=m-m2-m4

(6)

式中,m2為火炮質量(包括炮身、搖架、炮塔等),t;m4為懸掛和車輪質量,t。

1.2.2發射動力學模型

(1)后坐阻力。反后坐裝置的引入,使得發射過程中火炮傳遞給自行火炮車體的力不再是炮膛合力,而是反后坐裝置傳遞的后坐阻力FR[9]:

(7)

式中,FR0為初始后坐阻力;FRg為后效時期后的坐阻力;tg為彈丸在膛內運動時間;tr為從彈丸啟動到后效期結束的時間。

(2)發射動力學模型。自行火炮發射時,車體的振動是一個相當復雜的多自由度振動。為了便于優化,本文將整個車體看成一個整體,并只考慮車體的上下振動、前后振動與俯仰振動。已知底盤的載重量為m1,繞車體質心的轉動慣量為I1,火炮質量為m2,繞車體質心的轉動慣量為I2,其他變量如圖3所示。

圖3　某自行火炮發射動力學模型

取車體初始質心位置C為坐標原點,以水平向左為X軸正向,鉛垂向上為Y軸正向建立圖3所示的坐標系,車體繞質心的轉角為θ,逆時針方向為正。由拉格朗日方程,得到系統運動微分方程：

(8)

式中,FRy為后坐阻力在垂直方向的分力;FRx為后坐阻力在水平方向的分力;MR為后坐阻力作用于車體質心的力矩;Li為第i排懸架與自行火炮的車體質心的水平距離;x為車體質心的水平坐標;xi為第i排懸掛的水平坐標,i=1，2，3，4。

為了完整評價車體跳動,以F的值作為車體跳動的評判(F的值越大跳動越大):

F=w1(maxy-miny)/y*+w2(maxx-

minx)/x*+w3(maxθ-minθ)/θ*

(9)

式中,w1、w2、w3為權重系數;y*、x*、θ*為歸一化系數。

(3)后坐靜止性。自行火炮的后坐靜止性要求射擊時自行火炮車輪始終與地面接觸并沿水平方向不移動。若要達到上述要求，則必須滿足下式:

FRcosβ≤μ1mg

(10)

式中,β為自行火炮射擊高度角;μ1為路面的靜摩擦因數。

β=0時,水平后坐阻力最大,有FRcosβ=FR,保證此時自行火炮靜止應有

J1=FR-μ1mg≤0

(11)

(4)后坐穩定性。自行火炮的后坐穩定性要求火炮射擊時車輪始終與地面接觸。若要達到上述要求,則必須滿足下式:

W=MR-mgL4≥0

(12)

1.2.3行駛平順性模型

(1)路面激勵。本文采用濾波白噪聲作為路面輸入模型[10]，即

(13)

式中,q(t)為路面不平度位移輸入;Gq(n0)為路面不平度8級分類標準中規定的路面不平度系數幾何平均值;w0(t)為協方差為1 m2/s的單位白噪聲。

本文采用E級路面譜，測試距離為1000 m。

(2)平順性模型。輪式自行火炮行駛模型如圖4所示,其中,qi(t)為路面不平度位移輸入,a1、a2、a3為輪距,C為車體質心。

圖4　某自行火炮行走動力學模型

由拉格朗日方程,得到系統運動微分方程：

(14)

(3)車輛平順性評價。車輛的平順性是評價車輛性能的重要指標,ISO2631/1給出了平順性評價的近似方法：用車體質心垂直方向的加速度aw來評價車輛的平順性[11]。規定:aw≤0.315m/s2為舒適;0.3151.25m/s2為非常不適。

2　優化模型

2.1優化準則與目標函數

本文研究的目的是在火炮(包括炮身、搖架、炮塔等)的各種特性不變的情況下，選擇合適的底盤參數，使自行火炮的相關性能達到最優。通過分析自行火炮的作戰效能指標和系統分解結果可以發現,在同樣的條件下,底盤載重量m1是影響自行火炮機動性的最大因素,m1越小,機動性越強,作戰行程愈大,防護性能的加強、載彈量的提高都要求加大m1,并且m1也是影響自行火炮車體擾動、靜止性、穩定性和行駛平順性的重要因素，所以選擇一個合適的m1相當重要。需要補充說明的是,研究過程中底盤的外形以及各懸掛的位置和輪胎都是不變的。綜合上面幾點,在保證機動性等要求的情況下,以底盤的載重量m1最大為目標函數。除此之外，還要考慮底盤參數對自行火炮發射速度和射擊精度的影響，因為這兩個指標是自行火炮射擊指標中與底盤參數直接相關的，通過控制底盤參數，可以控制發射時車體的擾動，降低其對發射速度和射擊精度的影響。針對這點,要求最大高低角發射時車體在垂直面內的擾動最小。由上述分析得到如下目標函數:輪式自行火炮底盤載重量最大即max(m1);高低角最大時發射后車體在垂直面內的擾動最小即min(F)。

2.2設計變量

本模型有如下的設計變量:動力裝置的最大輸出功率PeN、動力裝置的最大輸出扭矩Me、自行火炮的戰斗全質量m、自行火炮行駛系統的最大傳動比ic、自行火炮的油箱容積Q、第1排懸掛的阻尼c1和剛度k1、第2排懸掛的阻尼c2和剛度k2、第3排懸掛的阻尼c3和剛度k3、第4排懸掛的阻尼c4和剛度k4、自行火炮的車體質心的水平坐標x、自行火炮載重量繞車體質心的轉動慣量I1。

2.3設計約束

本模型有如下的設計約束:自行火炮最大行駛速度v≥vmin,最小單位質量功率Pm≥Pmin,作戰行程s≥smin,縱向坡度角α1≥αmin,最小制動距離S1≤Smin,后坐時自行火炮的靜止性指標J1≤0,后坐時自行火炮的穩定性指標W≤0,行駛時自行火炮車體質心在垂直方向的加速度aw≤amin。

3　優化策略及優化算法

3.1優化策略

優化策略是在尋優算法的基礎上提出的設計計算框架。選擇合適的策略能夠更好更快地找到最優解。由上節的系統分析可知：各子系統間有較多的公共設計變量和耦合設計變量，即各子系統間存在較強的耦合。多級優化策略和多學科可行法在處理強耦合系統時效率較低。同等情況下，多學科可行法比單學科可行法的計算復雜度高。考慮到上述幾點，本文采用單學科可行法優化策略。單學科可行法是一種單級多學科優化策略，它通過引入輔助設計變量，實現子模型之間的解耦。針對本文所述耦合模型,單學科可行法的具體處理過程如下：

對于耦合設計變量m,引入輔助設計變量m′,附加約束為

h1=m-m′=0

(15)

(16)

對于耦合設計變量v,引入輔助設計變量v′,附加約束為

h3=0.6v-v′=0

(17)

其中,v為自行火炮最大行駛速度,正常行駛速度取最大行駛速度的60%。

引入輔助設計變量之后,各個子系統就可以單獨建模。建模過程中，可以根據已引入輔助設計變量的情況，對子系統的輸入做適當的調整。

3.2優化算法

優化算法應根據實際優化問題的特點進行選擇。由于本文的優化模型是一個多峰模型，為了獲得全局最優解，本文選用了由第二代非劣排序遺傳算法和序列二次規劃法構成的組合算法。在優化過程中，首先應用第二代非劣排序遺傳算法在設計空間進行多目標全局搜索，求出Pareto解集，然后對Pareto解集中的各解進行如下計算：

f=1-F+(m1-m10)/m10=m1/m10-F

(18)

式中,m10為底盤載重量的初始值。

找出f值最大的X1(擾動下降的百分比和載重量上升的百分比之和最大的點)。接著應用序列二次規劃法以X1為起點進行局部精確尋優。在精確尋優過程中以f值最大為目標函數，設計變量的范圍以及約束同全局搜索時一樣。具體的尋優過程如圖5所示。

圖5　優化設計流程

4　計算實例

綜合圖6、圖7可以看出,優化結果是收斂的。由表1可以看出，載重量增加了21.0%,擾動下降了18.5%,各項約束都滿足要求;同時附加約束的殘差也較小(h1=0.34,h2=0.53,h3=0.14)。綜合上述結果可知,優化是成功的，優化模型是合理的。雖然單位質量功率Pm、最大行駛速度v、作戰行程s比優化前減小，但還滿足設計約束,同時通過優化也使先前不滿足約束的指標縱向坡度角α1和車體質心垂直方向的加速度aw滿足了約束,滿足約束的指標后坐時自行火炮的靜止性指標J1和后坐時自行火炮的穩定性指標W得到加強。總之,優化提高了自行火炮的性能,使自行火炮總體資源得到了更加合理的利用。

圖6　載重量收斂歷程

圖7　車體跳動收斂歷程

參數優化前優化后約束優化后比較Pm(kW/t)34.9932.1≥30滿足s(km)941.6866.8≥800滿足α1(°)26.433.6≥30滿足S1(m)3.83.36≤5.0滿足v(km/h)112.0103≥100滿足aw(m/s2)0.650.53≤0.63滿足J1(N)-9984-20000≤0滿足W(N·m)-13986-28450≤0滿足m1(t)12.815.5增加21.0%F1.00.815下降18.5%

5　結語

本文針對輪式自行火炮底盤匹配與優化問題，提出了一種學科分解方案；以底盤載重量最大和最大射角時車體擾動最小為優化目標，建立了一套輪式自行火炮底盤匹配優化方案；應用單學科可行法優化策略處理了該模型的耦合關系；選用由第二代非劣排序遺傳算法和序列二次規劃法序列二次規劃法構成的組合算法進行求解;最后通過具體實例驗證了匹配優化方案的合理性。

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(編輯張洋)

Matching and Optimization for Chassis System of Wheeled Self-propelled Guns

Luo ZhongfengXu ChengXu Yadong

Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

In order to deal with the optimum design for the chassis system(CS) of wheeled self-propelled guns,the way of MDO was introduced for analyzing the complicated system.Taking optimum design for a 8 by 8 wheeled self-propelled gun for instance,the optimization model was established,then was partitioned into several subsystems.In accordance with the requests for the chassis matching with the fire system the respective computation models were provided.Subsequently the coupling relationships among subsystems were analyzed in a manner of MDO.Finally,the instrumental variables were introduced to decouple subsystems from each other by the individual disciplinary feasible strategy.A combinatorial optimization algorithm of non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ and sequential quadratic programming was selected to optimize the resulting problem and the calculation example was verified the validity of this design pattern.

wheeled self-propelled gun;chassis;multidisciplinary design optimization(MDO);mobility;launch dynamics;riding comfort

2013-09-10

國防基礎科研項目(A262011003)

TJ303DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.004

羅中峰,男,1984年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為多學科優化。徐誠,男,1962年生。南京理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。徐亞棟,男,1978年生。南京理工大學機械工程學院副教授。