影響炮口擾動的火炮總體結構參數靈敏度分析與優化

徐志遠，葛建立，楊國來

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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影響炮口擾動的火炮總體結構參數靈敏度分析與優化

徐志遠，葛建立，楊國來

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

摘要：從減小炮口擾動的角度出發，利用ADAMS軟件建立了某火炮發射過程的剛柔耦合模型，考慮了身管、搖架、上架的變形，通過靈敏度分析獲得了火炮總體結構參數對炮口擾動的影響強弱；結合靈敏度分析結果，聯合小生境遺傳算法與ADAMS軟件進行了火炮動力學的多目標優化分析，有效降低了炮口擾動，對火炮結構設計和動力學分析具有一定參考價值。

關鍵詞：炮口擾動；剛柔耦合；靈敏度分析；多目標優化

本文引用格式：徐志遠，葛建立，楊國來.影響炮口擾動的火炮總體結構參數靈敏度分析與優化[J].兵器裝備工程學報，2016(6):45-48.

Citationformat:XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai.OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):45-48.

射擊密集度是火炮研制的重要指標，而炮口擾動是影響射擊密集度的重要因素。目前，國內外對炮口擾動的動力學分析優化進行了大量研究，戎保等[1]對近年來國內外多體系統動力學建模方法、求解策略等方面的研究現狀進行了概括和總結。曾晉春[2]基于多體動力學、接觸/碰撞動力學和數值計算等理論對某車載炮的剛柔耦合建模進行了研究。蔡文勇等[3]將遺傳算法和多剛體動力學進行聯合，實現了以炮口擾動為目標的動力學優化。張俊飛[4]應用有限元法建立了某牽引炮的彈炮耦合模型，并通過靈敏度分析與優化設計等方法對火炮結構參數進行了匹配與優化。Krzysztof[5]提出了多體系統數值模擬的方法，并驗證了該方法的可行性。陳世業[6]建立了系統的多目標優化數學模型，并結合NSGAII遺傳算法求得對應的Pareto解，為火炮系統的結構優化提供了一定參考。周樂等[7]和王飛等[8]建立了剛柔耦合模型，并分別對火炮的反后坐裝置結構和射擊穩定性進行了優化研究。

本文以某牽引炮為研究對象，建立了以身管、搖架和上架為柔性體，炮尾、炮口制退器、下架等為剛體的剛柔耦合動力學模型。并利用ADAMS/INSIGHT模塊進行了總體結構參數靈敏度分析，找出對炮口擾動影響較大的參數，然后應用小生境遺傳算法進行優化研究。

1　多體動力學建模及總體結構參數靈敏度分析

1.1火炮剛柔耦合動力學建模

根據火炮的結構組成和發射過程，將火炮簡化為由身管、搖架、上架3個柔性體和炮尾、炮口制退器、下架等多個剛體組成的剛柔耦合系統。利用HYPERMESH對身管、搖架和上架進行柔性體建模和模態分析，生成模態中性文件(.MNF文件)，ADAMS軟件可直接調用。火炮發射過程建模時各部件約束關系和載荷：約束關系表現為各部件之間的連接關系；載荷主要考慮炮膛合力、復進機力、制退機力和平衡機力等，火炮發射時載荷可通過FORTRAN語言編程生成動態鏈接庫，嵌入火炮多體動力學模型。襯瓦和身管，齒弧和高低齒弧進行接觸建模。某牽引火炮全炮拓撲示意圖如圖1。

1.2火炮總體結構參數靈敏度分析

由于火炮系統的復雜性，很難直接給出一組合適的設計參量，使其滿足戰術等指標，這就需要對眾多的設計參量進行匹配和研究。靈敏度是目標函數對設計變量的偏導數，充分反映了目標函數對設計變量的依賴關系。利用靈敏度分析的方法對火炮總體結構參數進行分析，根據參數對目標函數的影響情況，確定火炮總體結構的部分參數為設計變量，從而使火炮總體結構參數的優化匹配成為可能。

火炮的總體結構參數主要包括各部件的質量、質心位置、轉動慣量、等效剛度和等效阻尼等。靈敏度分析之前，應對模型進行參數化。然后，參考前期工作及相關文獻[9]，選取炮口制退器質量、炮尾質量、上架質量和質心位置、高低機的等效剛度和阻尼等16個參數作為因素，各因素水平設置為±10%。本文選用DOEResponseSurface創建矩陣，該方法主要用于確定多個設計參數共同作用對響應函數影響情況；試驗設計類型選擇D-optimal，此法有利于從所有參數中篩選出對模型影響大的設計參數，因素與響應的擬合關系選擇Quadration，試驗次數為256。

表1　靈敏度分析結果

表2　設計參數的設置及角位移靈敏度分析結果

表2(續)

綜合各子目標的靈敏度分析結果選出對炮口擾動影響較大的8個參數：下架質量、下架z向質心位置、炮尾質量、炮口制退器質量、炮尾x向質心位置、前座盤彈簧剛度系數、前襯瓦x向位置和后襯瓦x向位置。

2　炮口擾動優化分析

2.1設計變量與目標函數

以上文選取的8個參數作為設計變量。因炮口擾動影響著彈丸的起始擾動，而彈丸起始擾動又直接影響著射擊密集度。因此，在參考文獻[9]的基礎上選取對彈丸起始擾動影響較大的炮口y向線速度v、炮口z向角位移θ、炮口y向角速度ω和炮口y向位移s作為子目標，并賦予各子目標相應的權重系數，并對各子目標進行歸一化處理。歸一化的總目標函數為：

(1)

式(1)中：s0、v0、θ0、ω0分別為初始值，c1、c2、c3、c4為加權系數，取值分別為0.2，0.25，0.25，0.3，且c1+c2+c3+c4=1。炮口y向位移s對射擊密集度影響較小，因此權重系數最小。

適應度函數：

(2)

2.2遺傳算法

本文采用小生境遺傳算法進行多目標優化。小生境遺傳算法是在遺傳算法的原有結構上引入小生境技術，不僅保持了原遺傳算法的特點，還維持了群體的多樣性，提高了遺傳算法處理多峰值優化問題的能力，其全局尋優能力和收斂速度更適合于復雜函數的多目標優化問題[9-10]。

通過FORTRAN對數值計算語言進行編寫，完成了ADAMS的二次開發應用。優化時，讀取原始adm文件，修改設計變量寫入修改后的adm文件中，調用修改后的adm文件、bat文件(批處理文件)和acf文件(ADAMS/SOLVER計算控制文件)，聯合ADAMS/SOLVER進行仿真運算，并獲得仿真結果。在運行過程中將根據所要求解問題的目標函數構造適應度函數，從而對由多個解構成的種群進行評估、選擇、交叉和變異；同時在經過多代繁殖后，把適應度值最大的個體作為所求解問題的最優解。數值計算過程如圖2所示。

圖2　數值計算框圖

2.3優化結果與分析

小生境遺傳算法(NPGA)與ADAMS聯合優化可以得出多組優化方案，選取其中最優的一組優化結果進行分析，目標函數優化前后的曲線變化如圖3—圖6所示。

圖3　炮口z向角位移優化前后曲線對比

圖4　炮口y向線速度優化前后曲線對比

圖5　炮口y向角速度優化前后曲線對比

圖6　炮口y向位移優化前后曲線對比

優化目標角位移θ/(°)線速度v/(mm·s-1)角速度ω/(rad·s-1)位移s/mm優化前-0.0228-185.910511.617-1.532優化后-0.0178-106.52213.8053-0.956變化率/%21.842.767.237.6

對比圖3—圖6可以看出，優化后的角位移θ、線速度v、角速度ω、位移s的最值及出炮口瞬間的值都比優化前有所降低；圖4—圖5隨著時間的增加，線速度和角速度的優化效果更加明顯，優化后的曲線比優化前的變化趨勢更平緩，優化值也明顯降低。

由表3可知，彈丸出炮口瞬間的角位移θ、線速度v、角速度ω、位移s的幅值均有所減小，其中角速度ω的優化效果最為明顯，比優化前降低67.2%，而其他3個子目標的值也都降低了20%以上，由此可以說明本文的優化方法是可行的。

3　結論

本文建立了某炮剛柔耦合動力學模型，并進行了總體結構參數的靈敏度分析，篩選出了8個參數作為設計變量，并利用小生境遺傳算法對炮口擾動進行了優化分析。對比彈丸出炮口前和出炮口瞬間的炮口擾動情況，結果表明優化后的炮口擾動值比優化前明顯降低，充分說明了該方法的可行性。另外，本文僅從理論的角度探討了火炮總體結構參量的優化情況，為保證優化結果的可信度，最好與相應的實驗進行相互驗證。

參考文獻：

[1]戎保,芮筱亭,王國平,等.多體系統動力學研究進展[J].振動與沖擊,2011(7):178-184.

[2]曾晉春.車載式火炮剛柔耦合發射動力學研究[D].南京:南京理工大學,2010.

[3]蔡文勇.大口徑車載火炮多柔體動力學與總體優化研究[D].南京:南京理工大學,2009.

[4]張俊飛.某火炮結構參數靈敏度分析與優化研究[D].南京:南京理工大學,2014.

[5]KRZYSZTOR Z.Modelling dynamics of certain class of discrete multi-body systems based on direct method of the dynamics of relative motion[J].Meccanica,2012,47(7)：1527-1551。

[6]陳世業.自行火炮彈炮多體發射系統動力學仿真研究 [D].南京:南京理工大學,2013.

[7]周樂,楊國來,葛建立.基于遺傳算法的火炮反后坐裝置結構多目標優化研究[J].兵工學報,2014,36(3):433-436.

[8]王飛,楊國來,葛建立.某火炮射擊穩定性的總體參數靈敏度分析與優化[J].火炮發射與控制學報,2014,35(4):58-61.

[9]楊國來.火炮發射動力學[M].南京:南京理工大學出版社,2006.

[10]XU ZHE,LU SUSAN.Multi objective optimization of sensor array using genetic algorithm[J].Sensors and Actuators,2011,160(1):278 -286.

[11]謝潤，楊國來，徐龍輝. 自行火炮行進間剛柔耦合多體系統動力學分析[J]．南京理工大學學報(自然科學版)，2014(5)：588-592.

(責任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.010

收稿日期：2015-12-26；修回日期：2016-01-27

基金項目：國家重大科學儀器設備開發專項(2013YQ47076508)

作者簡介：徐志遠(1989—)，男，碩士研究生，主要從事火炮結構優化研究。 通訊作者：葛建立(1980—)，男，博士研究生，碩士生導師，主要從事結構設計、火炮動力學仿真、計算固體力學等研究。

中圖分類號：TJ3

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0045-04

OverallStructuralParameterSensitivityAnalysisandOptimizationofGunMuzzleDisturbance

XUZhi-yuan,GEJian-li,YANGGuo-lai

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:A rigid-flexible coupling model of a gun, considering the deformation of the barrel, cradle and carriage, was established in ADAMS to study the optimization of muzzle disturbance. The overall structure parameters of gun muzzle disturbance were identified through sensitivity analysis. The gun dynamics optimization was performed by combining niche genetic algorithm and ADAMS software, and the muzzle disturbance was effectively reduced. This work is valuable for the structural design and dynamic analysis of guns.

Key words:muzzle disturbance; rigid flexible coupling; sensitivity analysis; multi-objective optimization