基于剛-柔耦合模型的供彈系統動力學分析

李 利，魏立新，樊永鋒

(鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450052)

0 引 言

為了提高某型小口徑艦炮射擊過程中供彈的可靠性，有必要對其供彈系統進行動力學分析。該小口徑艦炮的供彈系統屬于剛柔耦合系統，尤其是供彈系統彈鼓模塊中的雙線螺旋片，屬于薄板類易變形的柔性體。由于供彈系統模型剛柔耦合效應的存在，會對供彈系統的動力學特性造成很大的影響。目前國內對小口徑艦炮供彈系統的研究只限于結構和運動原理上的分析，對其動力學分析的研究較少，特別是對供彈系統進行深一步的剛柔耦合動力學分析。因此有必要建立供彈系統虛擬樣機，對供彈系統模型進行剛柔耦合動力學仿真[1]。

供彈系統的主要構件雙線螺旋片在高轉速、受力大的工況下會產生變形，因此在仿真中必須視為柔性體。其余受力小，剛度大的構件可以視為剛體，這樣建立的動力學模型不僅可以準確的反映供彈系統的運動狀態，又可以使仿真的工作量大大降低[2]。

文中分別建立了供彈系統的剛柔耦合動力學模型和剛體動力學模型，利用動力學仿真軟件Adams分別進行動力學仿真，并與試驗結果進行對比，為以后的樣機研制提供依據[3]。

1 剛柔耦合模型的建立

1.1 供彈機構的工作原理

供彈系統主要包括彈鼓和供彈機構兩大組件，具體模型如圖1所示。彈鼓主要用來儲存炮彈，為炮彈進入供彈機構提供集彈空間；供彈機構利用自動機火藥燃氣的后坐力作為動力，通過四級撥彈輪把彈從集彈圓盤的集彈器中帶出。在這個過程中，彈鼓中的螺旋片屬于易變形構件，剛度小；而炮彈沿隔室移動主要靠螺旋片的推力作用，因此螺旋片的變形很大程度影響供彈機構供彈的可靠性。所以有必要對螺旋片柔性化并對供彈系統進行動力學分析。

1.2 Adams仿真模型建立

Adams動力學分析軟件通過建立零件模型、施加載荷和約束建立仿真模型并進行動力學求解。同時Adams支持很多常用CAD設計軟件模型的直接導入，但是導入的模型默認為剛體模型，必須使用Adams/Flex模塊，通過Flex與FEA軟件之間的通信接口，諸如Nastran，Ansys，Abaus建立柔性體的模態中性文件（medal neutral file，MNF）向 Flex 傳遞模型數據[4]。FEA軟件生成的MNF文件中包含的信息主要有：柔性體的幾何參數，柔性體各節點的位置坐標，節點的質量與轉動慣量，各階模態以及模態的廣義質量和廣義剛度等。文中提出一種利用Creo，Adams，Ansys建立剛柔耦合動力學模型的方法[5-6]。

首先在Creo下建立三維剛體模型，由于模型中存在特征較為復雜的零件，因此不采用轉換中間格式的方法。直接用Adams導入Creo文件的方法，這樣可以更好的保留模型的特征。其次利用有限元分析軟件Ansys創建有限元模型，通過劃分網格和建立剛性區域及剛性連接點的方式生成mnf中性文件[7]，如圖2和圖3所示。最后將mnf文件導入Adams中替換剛性體螺旋片，由Adams進行動力學仿真得到仿真結果。

這種分析方法把剛度大、變形小的構件作為剛性體處理，把剛度小，變形大的構件作為柔性體處理。在保證仿真正確性的基礎上可以有效的提高仿真效率和逼真度。

1.3 仿真模型的約束和參數設定

將模型導入Adams后，需要建立各個構件之間的約束。因此需要根據模型實際約束情況，在構件間添加約束[8]。文中的仿真主要是計算供彈系統在啟動—穩定運轉過程中供彈系統的阻力矩，并得到剛體模型和剛柔耦合模型的仿真結果。

動力學仿真中供彈系統的驅動來自于自動機對大模數齒輪的驅動。因此在模型仿真過程中，直接在大模數齒輪上添加角速度驅動，角速度的具體數值和現場試驗過程中電機給自動機的角速度一致，是通過Adams中的Akispl插值函數實現[9]。

2 仿真計算與結果

2.1 試驗仿真

本文通過對供彈系統啟動、穩定射擊到停止射擊3個階段分別進行多剛體動力學仿真和剛柔耦合動力學仿真，仿真結果與實際試驗結果進行對比，找到更符合實際的供彈系統動力學仿真方法，進而達到利用動力學仿真模擬現場試驗、縮短產品研發周期，降低試驗成本的目的[10]。

2.2 仿真測量結果

仿真試驗主要對供彈系統（剛柔耦合模型和剛體模型）的阻力矩進行仿真。對比剛柔耦合模型和剛體模型的仿真阻力矩，與現場試驗進行比較，找出同一供彈系統利用不同類型的仿真模型得到仿真結果的差異[11]。文中按照現場試驗的轉速進行仿真，仿真過程中，啟動時間為330 ms（對應的現場試驗時間為500–830 ms）。為縮短仿真時間，提高仿真效率，供彈系統穩定運轉時間為270 ms（對應的現場試驗時間為830–1 900 ms），減速階段時間為 400 ms（對應的現場試驗時間為 1 900–2 300 ms）。現場試驗中射頻為4 200發/min，該型艦炮為6管，射速為4 200/6=700 r/min，轉換為角速度為：（700/60）*360=4 200 d/s，圖4-圖5中角速度單位d/s，扭矩單位N·mm。由Akispl函數差值獲得角速度變化曲線如圖4所示。

表1 仿真試驗的初始條件Tab.1 Initial conditions for simulation experiments

剛體模型仿真阻力矩與時間之間的變化曲線如圖5所示。

剛柔耦合仿真模型啟動力矩與時間之間的變化曲線如圖6所示。

3 現場試驗結果

3.1 現場試驗測試原理

在不進行真實射擊情況下，扭矩傳感器安裝在電機的輸出軸和自動機傳動軸之間。扭矩傳感器采用TQ-660系列扭矩傳感器，測量范圍為±500 N·m，響應頻率為100 μs，精度為0.5%，扭矩傳感器的具體位置如圖7所示。

在現場試驗中，由于扭矩傳感器的安裝位置在自動機尾部，所以扭矩傳感器測出的力矩為自動機產生的阻力矩與供彈系統阻力矩之和。在對比過程中，應該減去自動機產生的阻力矩。由于自動機做了相應的簡化，其阻力矩為 2 N·m。

3.2 現場試驗

在試驗中，電機按照已經設置好的轉速驅動自動機進行運動，自動機驅動供彈機構的四級撥彈輪產生運動。四級撥彈輪通過齒輪將動力傳入彈鼓，使螺旋片產生旋轉運動，炮彈從彈鼓中的隔室經螺旋片的推力作用上移至供彈圓盤，供彈圓盤中的炮彈經四級撥彈輪的作用進入自動機，隨后在不進行真實射擊的情況下經過自動機依次進入排殼機構。

3.3 現場試驗結果

現場試驗采用射頻為4 200發/min進行帶彈射擊試驗。速度單位為r/min（等同仿真過程中的射頻4 200 d/s），扭矩單位為N·m。

由現場試驗得到角速度曲線，啟動力矩的變化曲線如圖8和圖9所示。

如圖9可知，供彈系統在剛開始啟動時阻力矩很大，最大值達到113 N·m（此處減去了自動機的阻力矩2 N·m）。但是隨著供彈系統轉速的穩定，其阻力矩開始逐漸減小，穩定在23 N·m（此處減去了自動機的阻力矩2 N·m）附近。在供彈系統開始減速至停止階段，發現得到的扭矩曲線與仿真試驗測得的圖像差別很大。這是由于現場試驗是電機軸驅動整套試驗系統運轉，傳感器測得的扭矩是電機輸出軸上的扭矩。當電機突然斷電停轉后，電機軸在其慣性作用下繼續做減速運動。但減速的過程中電機的輸出軸是靠慣性繼續運動，其軸上是不存在力的，因此也不會存在扭矩。

4 仿真結果對比

4.1 結果對比

文中從供彈系統啟動和供彈系統穩定運轉2個階段對阻力矩進行仿真分析，得到結果如表2所示。

表2 仿真結果與試驗結果對比Tab.2 Comparison of simulation results with test results

4.2 仿真試驗結論

從表2的分析可以看出，現場試驗測得的扭矩隨角速度變化曲線和剛柔耦合仿真模型的扭矩隨角速度變化曲線最為接近。

分析啟動力矩，首先從圖7看出扭矩傳感器安裝的位置在自動機的尾部，也就是說現場試驗測得的扭矩是供彈系統的阻力矩外加自動機的阻力矩。分析剛體仿真模型在啟動階段的阻力矩可以看出，雖然趨勢和現場試驗一致，但是其最大啟動力矩要大于現場試驗的最大啟動力矩。而剛柔耦合模型不僅趨勢與現場試驗一致，而且最大啟動力矩與現場試驗的最大啟動力矩誤差很小。對比剛柔耦合模型的最大啟動力矩和剛體模型最大啟動力矩可以看出，剛柔耦合模型的最大啟動力矩要小于剛體模型的最大啟動力矩，這是符合剛體動力學的一般常識的，進一步驗證了剛柔耦合仿真模型的正確性。從圖5可以看出，剛體仿真模型在啟動到接近穩定射擊狀態的過程中，其阻力矩出現了較大的波動，可以從另一方面說明剛體仿真模型的不穩定性。

本文對剛體模型和剛柔耦合模型穩定射擊狀態下供彈系統的最大阻力矩與實驗結果進行比較。剛體模型射擊穩定狀態時的最大阻力矩為200 N·m，這與現場試驗測得數據40 N·m相差很大，不能夠模擬現場試驗。而剛柔耦合模型射擊穩定狀態的最大阻力矩為52 N·m，這與現場試驗時穩定射擊狀態的最大阻力矩較為接近。

停射力矩可以看出是最偏離現場試驗數據的，具體原因上文已經闡述。通過剛柔耦合模型與剛體模型之間的對比，得到剛柔耦合模型的阻力矩比剛體模型阻力矩要小，符合剛體動力學常識，可以驗證剛柔耦合模型的正確性。

所以可以得出結論，剛柔耦合仿真模型較比于剛體仿真模型而言，得到的結果更符合現場試驗，因此在供彈系統動力學試驗中可以采用剛柔耦合模型來指導現場試驗，獲取想要的結果。

5 柔性體螺旋片變形仿真

對于柔性體而言，主要考慮其在仿真過程中的變形量。利用這個參數來進一步驗證供彈系統的可靠性以及剛柔耦合模型的正確性。

螺旋片任意點處的變形如圖10所示。

由以上仿真實驗可以獲得螺旋片在各個階段的變形如表3所示。

表3 柔性體變形量Tab.3 Flexible body deformation

由表3可知，螺旋片在供彈系統剛開始啟動時變形量逐漸增加，最大值為0.000 2 m；當供彈系統穩定運轉時，螺旋片繼續變形，變形量穩定在0.000 2～0.000 3 m之間；當供彈系統停射時，此時螺旋片會產生整個供彈階段最大的變形量為0.000 5 m。從以上的分析可以看出螺旋片在整個運動階段變形量相對于螺旋片的厚度是比較小的（螺旋片的厚度為0.004 m，焊接在彈鼓的內筒上），因此螺旋片的變形量不會影響彈在隔室中的上升運動，即不會影響供彈的穩定性，也從側面驗證了剛柔耦合模型的準確性。

6 結 語

文中采用Creo，Adams，Ansys軟件之間的雙向接口建立了供彈系統剛柔耦合模型，并在射頻為4 200發/min下分別對供彈系統的剛體模型和剛柔耦合模型進行動力學仿真分析，得出在啟動階段，剛柔耦合模型和剛體模型與現場試驗中供彈系統的最大阻力矩誤差分別為2%和15%；在射擊穩定狀態下，剛柔耦合模型和剛體模型與現場試驗中供彈系統的阻力矩最大值的誤差分別為30%和400%。通過對比可以得出相對于剛體動力學模型，剛柔耦合仿真模型更加接近于現場試驗，為供彈系統研究提供了一種有效的動力學建模方法和分析手段。