冯帅 郑博文 张天意

摘 要：为研究柔性非线性作用下缓冲器参数对顶置武器站炮口振动的影响规律，建立了含关重件柔性体的頂置武器站刚柔耦合发射动力学模型。基于模态中性文件将武器站关重件处理为柔性体，并通过模态分析对比试验数据及仿真数据，验证了有限元模型的准确性。在此基础上，分别研究了缓冲器刚度、阻尼对顶置武器站炮口振动的单因素影响规律。仿真结果表明，炮口振动受缓冲器刚度的影响小，而受阻尼的影响较大。

关键词：兵器科学与技术;顶置武器站;炮口振动;模态分析;有限元模型

0 引言

顶置武器站是可配备多种武器和不同组合的火力控制系统，可搭载于不同军用车辆及平台的模块化武器系统[1]。文献[2]指出，射击载荷引起的炮口振动是影响武器站射击精度的重要因素。为研究炮口振动特性，研究人员往往采用动力学仿真的手段，其中，建立高精度动力学模型是重中之重的关键环节。为此，研究人员在建立动力学仿真模型时，会根据实际中的非线性因素建立相应的数学模型。朱玉川等[3]在建立多管火箭炮位置伺服系统时考虑了不平衡力矩的影响。张金龙等[4]考虑了接触间隙的非线性效应，在火炮起落部分动力学模型中纳入接触间隙的数学模型;谢润等[5]考虑了射击载荷引起部件变形的柔性非线性，建立某型自行火炮动力学模型时将身管处理为柔性体。由此可见，影响炮口振动的非线性因素主要包括接触非线性、柔性非线性以及不平衡力矩非线性等。

在建立动力学模型后，研究人员从弹丸运动参数、行驶工况以及缓冲器参数等[6-8]不同角度对炮口振动的影响规律展开研究。然而，上述文献只是就单因素对炮口振动的影响规律进行研究，并没有考虑到因素间存在耦合效应，初始条件的变化也有可能导致单因素影响规律的变化。

因此，本文着重考虑柔性非线性，以缓冲器参数为自变量研究其对炮口振动的影响规律。基于模态中性文件生成关重件的有限元模型，构建了顶置武器站刚柔耦合动力学模型，并通过模态试验验证了有限元模型的准确性。在此基础上，以顶置武器站炮口振动为目标函数，以缓冲器刚度系数、阻尼系数为自变量进行单因素及多因素的影响规律研究，研究结果可为下一步抑制炮口振动、提高射击精度提供理论参考。

1 武器站刚柔耦合动力学模型

根据武器站发射过程中各部件的受力特点，将身管、支撑架、托架、耳轴等主要受力且对炮口振动影响较大的部件处理为柔性体，并基于多体动力学仿真软件ADAMS导入模态中性文件的方法[10]建立相关部件的柔性体，其流程如图1所示。

相关部件的网格模型如图2～图5所示。最终建立起顶置武器站刚柔耦合发射动力学模型，如图6所示。

2 缓冲器参数对炮口振动影响规律研究

缓冲器力学性能主要由刚度系数及阻尼系数决定。因此，在上述构建的顶置武器站刚柔耦合发射动力学模型的基础上，分别以缓冲器刚度及阻尼为自变量，研究其对炮口振动的影响规律。

2.1 缓冲器刚度对炮口振动影响规律

分别取刚度系数K1=500N/mm、K2=1000N/mm、K3=2000N/mm，保持阻尼系数不变，对不同刚度下顶置武器站进行5连发动力学仿真，仿真结果如图7、8所示。限于篇幅，炮口振动参量随时间变化曲线仅列出高低向线速度。

由上述仿真结果可得出以下结论：

（1）对于振动频率，炮口振动参量在不同刚度下的振动曲线几乎重合，且相同次序的最大振幅出现时间相同（如高低向线速度的第1发载荷引起最大振幅时间在3种刚度下均为0.0228秒），表明刚度变化对炮口振动频率不影响;

（2）对于振动幅值，炮口振动参量最大振幅平均值在不同刚度下的变化幅度均小于1%，，表明刚度的变化对炮口振动幅值影响甚微。

以上表明，缓冲器刚度对炮口振动的影响较小。此外，在仿真中发现，刚度变化对于不同振动参量呈现不一样的影响规律，其中角位移参量随刚度增加而减小，线速度参量则随刚度增加而增大。

2.2 缓冲器阻尼对炮口振动影响规律

分别取阻尼系数C1=20Ns/mm、C2=40Ns/mm、C3=60Ns/mm，保持刚度系数不变，对不同阻尼下顶置武器站进行5连发动力学仿真，仿真结果如图9、10所示。

由上述仿真结果可得出以下结论：

（1）对于振动频率，以高低向线速度为例，其第1发载荷最大振幅时间在3种阻尼下分别为0.0023s、0.00228s、0.00226s，峰值时间随着阻尼的增大而减小，表明炮口振动频率随着阻尼的增加而增加;

（2）对于振动幅值，从总体趋势上看，阻尼变化对不同炮口振动参量的影响规律相同，即阻尼越大，振动参量最大幅值越小;从局部细节上看，阻尼的变化对不同振动参量的影响程度不同，其中，当阻尼系数从C1变化到C3时，高低向线速度、水平向线速度、高低向角位移、水平向角位移的变化幅度分别为14.617%、12.141%、10.336%、6.95%，变化幅度最大为高低向线速度，最小为水平向角位移，表明阻尼变化对线速度参量的影响要大于角位移参量。

以上表明，缓冲器阻尼对炮口振动的影响较大。

3 结论

本文以顶置武器站炮口振动为研究对象，考虑了柔性非线性的影响，将关重件处理为柔性体后构建了顶置武器站刚柔耦合动力学模型，通过模态分析验证了模型的精确性，并就缓冲器参数对炮口振动的影响规律进行研究，主要有以下结论：

（1）基于模态理论描述的柔性体，不仅能符合实际部件的动力学特性，而且能根据精度要求截取相应阶数的模态，大大提高动力学模型的仿真效率，有效实现了仿真精度与效率的并举;

（2）缓冲器刚度的变化对炮口振动的影响较小;相比之下，阻尼的变化对炮口振动的影响较大，会引起振动频率及幅值的变化，但不影响其宏观上的振动趋势。

参考文献：

[1]毛保全.车载武器技术概论[M].北京：国防工业出版社，2009：22-23.

[2]梁传建，杨国来，葛建立等.反后坐装置结构布置对炮口振动影响的研究[J].兵工学报，2013（10）：1209-1214.

[3]朱玉川，马大为，李志刚等.防空多管火箭炮位置伺服系统负载特性分析[J].弹箭与制导学报，2005（04）：66-67.

[4]张金龙，郭保金，杨克柱等.基于高低机接触间隙的炮口振动仿真分析[J].中北大学学报（自然科学版），2014（02）：117-121.

[5]谢润，杨国来，徐龙辉.自行火炮行进间刚柔耦合多体系统动力学分析[J].南京理工大学学报，2014（05）：588-592.

[6]史跃东，王德石.考虑惯性效应的移动弹丸作用下身管振动特性[J].兵工学报，2011（04）：414-420.

[7]戴东明，毛保全，徐礼等.某遥控武器站行进间射击炮口振动特性研究[J].火炮发射与控制学报，2012（02）：38-41.

[8]毛保全，戴东明，纪兵等.缓冲器对某型遥控武器站炮口扰动的影响[J].兵工自动化，2012（12）：12-14.

[9]康新中，吴三灵，马春茂等.火炮系统动力学[M].北京：国防工业出版社，1999：234-238.

[10]吴永亮.30炮顶置武器站连发炮口动态特性分析与优化[D].北京.装甲兵工程学院，2014.