某型步兵戰車行進間射擊高低機動態接觸非線性計算

張金忠,李曉偉,童 睆,蘇忠亭

(1.陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系,北京 100072;2.北京京航計算通訊研究所 北京 100074)

射擊精度是武器裝備的主要指標之一,炮口擾動是表征及影響射擊精度的主要因素[1]。步兵戰車在行駛過程中,路面載荷對火力線與瞄準線之間的隨動有很大的擾動,從而影響射擊精度[2]。當靜止狀態下進行射擊時,高低機的輸出齒輪與齒弧之間的間隙為靜態[3],在重力作用下初始狀態靜平衡,在射擊載荷作用下主動接觸機構對被動接觸機構為單向接觸碰撞,而行進間射擊時,穩定系統打開,高低機內部蝸輪、蝸桿結構分離,但由于路面隨機載荷的作用,火炮搖架帶動高低機輸出齒輪呈現雜亂無章的接觸狀態,影響高低機技術狀態,并影響射擊精度[4]。本文主要對某型步兵戰車在行進間射擊過程中高低機齒輪、齒弧之間的動態間隙非線性進行建模與仿真,以建立精細、準確的火炮發射動力學模型。

1 高低機齒輪、齒弧非線性參數的計算

火炮行進間射擊時,穩定器開啟,搖架帶動高低機輸出齒輪晃動,高低機輸出齒輪與齒弧間為連續嚙合狀態,輪齒嚙合區為齒頂對齒根區域和齒根對齒頂區域[5],針對此接觸區域的接觸力,基于Contact接觸力公式,定義含間隙的輪齒接觸面法向接觸力[6]:

(1)

式中:K為剛度系數;C為阻尼系數;δ為間隙;n為非線性系數;rgd,rch分別為高低機輸出齒輪和齒弧圓心的嚙合點圓半徑;θgd,θch分別為高低機輸出齒輪和齒弧的角位移;2b為齒側間隙;Fn為齒輪嚙合法向接觸力。

在ANSYS中建立高低機輸出齒輪與齒弧有限元模型,如圖1所示。

圖1 齒輪與齒弧有限元模型

定義Contact類型為Frictional[7],Contact face為輸出齒輪,Element type為Contact 174,Target face為齒弧,Element type為Targe 170,定義非線性系數n=1.3,應用式(1)計算雙齒接觸力,計算方法采用罰函數法[8],求得如圖2所示的雙齒區接觸特性。

圖2 高低機齒輪、齒弧雙齒嚙合接觸特性

將圖2中的接觸壓力、接觸滲透量與接觸間隙代入式(1),求得雙齒嚙合剛度為21 075 N/mm。

2 火炮行進間射擊動力學仿真分析

根據《車輛振動輸入路面平度表示方法》(GB7031—86)定義節點[9],構建單元網格,構造C級～F級仿真路面,如圖3所示,在ADAMS中調用該路面子程序進行仿真。

圖3 各等級路面

按照各節點膛底合力數值,繪制膛底合力Ft的曲線,如圖4所示。

應用ADAMS軟件建立步兵戰車各分系統模型[10],進行適當的結構簡化,添加約束、力、膛底合力以及路面載荷后,將含間隙的高低機輸出齒輪與齒弧接觸剛度系數代入高低機接觸動力學模型中,建立步兵戰車整車剛柔耦合發射動力學模型,如圖5所示。

圖4 彈丸膛底合力

圖5 步兵戰車火炮發射動力學模型

對2檔車速下步兵戰車火炮行進間射擊仿真,設定邊界條件:車速為5.525 m/s,動對靜射擊,C級、D級、E級與F級路面勻速行進3.5 s,3 s時刻火炮常溫穿甲彈射擊。

選取高低機輸出齒輪與齒弧之間的接觸力Fc和火炮身管軸線相對于耳軸的轉動角速度ω作為參量進行分析,如圖6和圖7所示。

圖6 2檔車速高低機輸出齒輪接觸力

由圖6、圖7可以看出,步兵戰車勻速行駛過程中,基于高低機齒輪、齒弧的動態間隙非線性,在步兵戰車行進過程中搖架齒弧隨火炮高低俯仰部分繞耳軸旋轉對高低機輸出齒輪的沖擊力作用下,高低齒輪接觸力幅值較大,且步兵戰車行進過程中的載荷為周期性載荷,與車速、履帶接地長度和步兵戰車負重輪分布距離有關。在3～3.16 s火炮后坐復進過程中,火炮發射沖擊載荷通過緩沖器、搖架傳遞至齒弧,與通過車體、炮塔傳遞至高低機輸出齒輪的路面載荷疊加,使得接觸力劇增,火炮高低俯仰角速度數值增大。

圖7 火炮高低俯仰角速度

3 結論

在步兵戰車行進間射擊過程中,由于高低機的輸出齒輪與齒弧之間處于動態接觸狀態,因此進行動力學仿真時,接觸剛度系數難以人工確定。本文在分析Contact接觸力公式的基礎上,首先預估接觸力,然后應用ANSYS軟件雙齒嚙合接觸特性進行修正,應用雙齒嚙合等效接觸剛度系數代替人工輸入的方式,最終代入ADAMS軟件進行行進間發射動力學仿真,對各參量進行了對比分析,提高了仿真精度。