基于粒子群算法的火炮振動響應優化研究

謝歡 段譽

摘 要：為改善火炮的振動響應，采用仿真計算、試驗設計、近似模型與優化算法相結合的方法進行火炮振動響應優化研究。首先將炮塔及火炮考慮成柔性體，建立了履帶車輛剛柔耦合模型。其次以懸掛彈簧扭轉剛度、減振器阻尼系數、懸置剛度、3個系統參數為設計變量，采用最優拉丁超試驗設計對設計變量進行抽樣，建立以火炮炮口垂直角位移為目標函數的二階多項式響應面近似模型，并檢驗了其擬合精度。最后基于粒子群算法對火炮振動響應進行了優化，結果表明優化效果明顯。

關鍵詞：履帶車輛；近似模型；火炮振動；粒子群算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.098

火炮振動對其射擊精度有重要影響，引起火炮振動的因素有很多，近年來國內外許多研究者廣泛研究了系統參數對火炮振動響應的影響。葛建立通過靈敏度分析篩選出對炮口擾動較大的結構參數，并對其進行了多目標優化分析[1]。張俊飛建立了彈炮耦合的牽引火炮動力學有限元模型，通過靈敏度分析篩選出對火炮振動影響較大的系統參數，建立其近似模型，并基于多島遺傳算法進行優化[2]。

本文通過試驗設計對履帶車輛剛柔耦合模型進行仿真計算，采用二階多項式響應面法建立其近似模型，并基于粒子群算法對火炮振動進行優化。

1 履帶車輛剛柔耦合動力學建模

1.1 履帶車輛多剛體模型

履帶車輛是復雜的多自由度機械系統，建模前需對其作一定的假設。不考慮傳動單元等的作用，同時將車體內的座椅等部件作為集中質量集成在車體上，并將行動系統為簡化主動輪、負重輪、托帶輪、誘導輪、履帶張緊機構、兩側履帶以及彈簧阻尼元件。根據以上假設，以某型履帶車輛為例，在ADAMS/ATV中建立其多剛體動力學模型。

1.2 履帶車輛剛柔耦合模型

將炮塔及火炮考慮成柔性體，首先建立其有限元模型，然后采用模態綜合法建立其柔性體，在ADAMS中，采用模態中性文件表征柔性體，模態中性文件包含了柔性體的模態等信息。建立柔性體的主要步驟如圖1所示。在ADAMS中生成柔性體后，將其導入多剛體模型中，并添加相應的約束建立剛柔耦合模型。

2 近似模型構建

2.1 試驗設計

試驗設計是一種通過合理安排試驗方案減少試驗次數的方法。本文以懸掛彈簧扭轉剛度、減振器阻尼系數、懸置剛度為設計變量，炮口垂向角位移為目標函數，采用最優拉丁超試驗設計方法對設計變量抽取30組樣本點，并將抽樣結果代入剛柔耦合模型中進行仿真計算，得到目標函數響應量，為下一步近似模型的建立提供樣本點。

2.2 建立近似模型

選擇二階多項式響應面近似模型對樣本點進行擬合。多項式響應面模型的原理是用一組多項式來擬合設計變量與目標函數之間的關系，多項式可以是二階、三階甚至更高階，階數越高擬合精度越好。建立的二階響應面近似模型。

2.3 擬合精度檢驗

工程上一般用復相關系數R2來表征近似模型擬合的效果。當R2大于0.9時，精度才能滿足要求。

3 基于粒子群算法的火炮振動優化

3.1 火炮振動響應優化分析

4 結論

本文以懸掛彈簧扭轉剛度、減振器阻尼系數、懸置剛度為設計變量，炮口垂向角位移為目標函數，通過建立二階響應面近似模型，結合粒子群算法對火炮振動響應進行優化，結果表明優化效果明顯。

參考文獻：

[1]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，2016，37（06）：45-48.

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

作者簡介：謝歡（1993-），男，廣東韶關人，研究生，研究方向：車輛仿真。