航炮后坐對(duì)供彈系統(tǒng)影響的半實(shí)物仿真系統(tǒng)及動(dòng)力學(xué)的仿真分析

張洋，劉聰

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

0 引言

為了提升航空自動(dòng)武器的射速及可靠性，需對(duì)其供彈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)單鏈供電技術(shù)容易受剛度及強(qiáng)度因素的限制，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)彈，對(duì)于射速要求也無(wú)法滿足。此時(shí)，無(wú)鏈供彈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)自身精度、耗能、可靠性及機(jī)械性與傳統(tǒng)彈鏈供應(yīng)技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)凸顯。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使該技術(shù)在高射速自動(dòng)武器方面應(yīng)用愈加廣泛。供彈結(jié)構(gòu)在自動(dòng)武器機(jī)構(gòu)中最為復(fù)雜，因供彈結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成武器故障的幾率占總故障的30%-70%。為了使高速無(wú)鏈供彈系統(tǒng)動(dòng)作可靠性得以有效提高，同時(shí)，避免因卡彈、停射導(dǎo)致武器不能正常工作的情況，故對(duì)高射速航空自動(dòng)武器無(wú)鏈供彈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改善與優(yōu)化，在現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中是非常有必要的。

1 高速無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

圖1 高速無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1高速無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，該系統(tǒng)可分為兩部分，分別為結(jié)構(gòu)部分和控制部分，其中控制部分主要是對(duì)傳感器與中心數(shù)控器的控制，而結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，包括彈箱、后座模擬系統(tǒng)、閉合彈鏈與彈藥等。后座模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為圓柱凸輪，通過(guò)與自動(dòng)供彈的連接實(shí)現(xiàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)[1]。供彈接口是無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的中心部分，通過(guò)對(duì)該接口部分的模擬來(lái)進(jìn)一步證明后坐對(duì)無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的產(chǎn)生的影響。

2 高射速航炮無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究虛擬樣機(jī)技術(shù)，充分利用柔性與多剛體動(dòng)力學(xué)來(lái)對(duì)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)探析。本文利用虛擬機(jī)軟件平臺(tái)ADAMS對(duì)無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析。

在ADAMS中剛體坐標(biāo)分別用a、b、c表示，即T=(a,b,c)r。剛體方位的歐拉角分別用ψ,?,θ表示，即χ= (ψ,?,θ)r，則物體i的坐標(biāo)用表示。根據(jù)物體整體坐標(biāo)系可用以下方式來(lái)表示線和角的速度，即其結(jié)果用公式（1）進(jìn)行計(jì)算[2]。

ADAMS根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型多剛體動(dòng)力學(xué)方程用方程（2）表示。

則位置與速度之間的關(guān)系運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用以下方式顯示。

ADAMS以機(jī)械模型為基礎(chǔ)，自行構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行方程，即拉格朗日運(yùn)行方程。

公式（3）中，動(dòng)能用K表示，系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)則為qj，F(xiàn)j為廣義力，系統(tǒng)約束方程用ψi表示。若公式中零矩陣為o，那么此時(shí)的動(dòng)能可用公式（4）表示。

■2.1 高射速無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型構(gòu)建

圖2 模型建立步驟

圖3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型分析

圖2是無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的模型構(gòu)建步驟，其構(gòu)建過(guò)程首先是通過(guò)幾何建模，利用裝配和幾何實(shí)體造型進(jìn)行構(gòu)建；其次是系統(tǒng)建模，充分利用系統(tǒng)各部分零件之間的運(yùn)動(dòng)及約束關(guān)系，建立虛擬樣機(jī)；最后，仿真分析是對(duì)虛擬樣機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以此來(lái)對(duì)樣機(jī)的可靠性及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[3]。三維實(shí)體建模時(shí)義模擬樣機(jī)為基礎(chǔ)，為其提供在真實(shí)環(huán)境下的物理及結(jié)構(gòu)特性，而后坐模擬系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)供彈接口部分后坐的模擬。

■2.2 無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真分析

基于ADAMS所建立的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，將半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化后坐模型虛擬樣機(jī)的仿真試驗(yàn)分析得知，無(wú)鏈供彈、炮彈以及電機(jī)輸出軸阻力的運(yùn)行狀態(tài)，并利用各關(guān)鍵部件進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[4]。

■2.3 關(guān)鍵部件的有限元分析

無(wú)鏈供彈系統(tǒng)在供彈運(yùn)行過(guò)程中，若關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件為充分發(fā)揮自身作用，則導(dǎo)致剛度強(qiáng)度無(wú)法滿足供彈需求，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)故障停止運(yùn)行。為了避免故障出現(xiàn)，保持機(jī)構(gòu)可靠性，對(duì)部件剛度強(qiáng)度的優(yōu)化分析是非常有必要的。無(wú)鏈供彈系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)較大，主要原因是因?yàn)椴考^多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確快捷的對(duì)其剛度及強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，所以只能通過(guò)利用有限元發(fā)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠性分析。

2.3.1 有限元發(fā)理論

有限元法即有限單元法，核心理論思想是將問(wèn)題求解過(guò)程離散化，將得到的有限單元靠節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并選擇合理方式對(duì)單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)量關(guān)系進(jìn)行求解。因單元形狀過(guò)于簡(jiǎn)便，故將各單元進(jìn)行集合，以方程式入組得到該線性方程組的節(jié)點(diǎn)量，促使導(dǎo)出量問(wèn)題盡快解決。若當(dāng)前所選擇節(jié)點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)作為方程組，方可稱(chēng)之為位移法；若是節(jié)點(diǎn)力為未知，那么將其稱(chēng)為力法。有限單元法自身對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及計(jì)算精度較高，且可靠性好，再降低產(chǎn)品制作成本的同時(shí)，還為各企業(yè)減少了研制費(fèi)用及產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)用。

圖4 有限元分析步驟

2.3.2 關(guān)鍵部件強(qiáng)度剛度分析

高速無(wú)鏈供彈系統(tǒng)輸彈與閉合彈鏈驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析是通過(guò)有線元法進(jìn)行計(jì)算的，該計(jì)算步驟詳情如圖4所示。基于無(wú)鏈供彈系統(tǒng)剛度強(qiáng)度分析結(jié)果可見(jiàn)，閉合彈鏈與輸彈環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，可通過(guò)重要部件運(yùn)行狀態(tài)來(lái)滿足該系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度要求[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

全文通過(guò)高速無(wú)鏈供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，在無(wú)射擊情況下對(duì)其后坐進(jìn)行詳細(xì)研究。根據(jù)輸彈單元的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力情況對(duì)后坐位移變化的影響，并對(duì)該系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。基于ADAMS軟件構(gòu)建供彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要目的是通過(guò)仿真后坐位移曲線及運(yùn)行參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究。最后，根據(jù)關(guān)鍵部件剛度強(qiáng)度再滿足系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況時(shí)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。