彈炮耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別研究.pdf

1、火炮射擊過程是彈丸在高溫、高壓火藥燃?xì)馔苿?dòng)下沿身管軸向高速運(yùn)動(dòng)的過程。由于身管彎曲、彈丸與身管的接觸碰撞、彈帶的變形、彈帶與身管的高速度摩擦等因素的存在，使得彈丸運(yùn)動(dòng)具有不確定性，導(dǎo)致彈丸出炮口瞬間狀態(tài)參數(shù)的擾動(dòng)，而彈丸炮口狀態(tài)參數(shù)是外彈道的初始條件，直接與火炮的射擊精度相關(guān)。因此，建立火炮發(fā)射過程彈炮耦合動(dòng)力學(xué)模型，得到彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示彈炮耦合機(jī)理，預(yù)測(cè)彈丸炮口擾動(dòng)，提取彈炮耦合系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)提高火炮射擊精度有重要意義。針

2、對(duì)上述問題，本文主要展開的研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)基于火炮發(fā)射原理和物理結(jié)構(gòu)，建立相關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)用于描述身管和彈丸的相對(duì)運(yùn)動(dòng);根據(jù)彈炮耦合系統(tǒng)的坐標(biāo)系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以相鄰剛體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;基于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，根據(jù)虛功率原理，推導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。
　　(2)考慮身管剛?cè)狁詈闲?yīng)，基于Timoshenko梁假設(shè)，建立多段變截面梁表示的身管模型，采用譜元法離散身管模型，得到描述身管柔性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程;

3、基于浮動(dòng)坐標(biāo)系方法，建立了基于Timoshenko梁假設(shè)的身管剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。
　　(3)對(duì)彈炮耦合問題展開研究:包括身管膛線與彈帶的相互作用、身管運(yùn)動(dòng)對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)（平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)）的影響、彈丸前后定心部與身管內(nèi)壁的接觸碰撞、彈帶與身管內(nèi)壁的相互作用（彈帶變形和高速摩擦），建立相應(yīng)的約束方程，并整合到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程中。
　　(4)考慮剛?cè)狁詈虾蛷椗隈詈霞s束方程建立彈炮耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并給出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算算法;對(duì)火炮發(fā)

4、射過程中各種載荷進(jìn)行分析，包括彈丸受到的載荷和身管受到的載荷，并根據(jù)建立的彈炮耦合系統(tǒng)進(jìn)行模型驗(yàn)證和仿真分析:包括:1）通過將計(jì)算得到的身管炮口擾動(dòng)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，輔助驗(yàn)證模型的有效性;2）身管的靜態(tài)分析結(jié)果作為彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算的初始條件;3）以上所有初始條件代入動(dòng)態(tài)計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的周期性，且隨著彈丸的運(yùn)動(dòng)，橫向運(yùn)動(dòng)的幅值逐漸增大，在炮口附近達(dá)到極大值。
　　(5)基于

5、混沌多項(xiàng)式展開(Polynomial Chaos Expansion，PCE)原理，提出自適應(yīng)稀疏混沌多項(xiàng)式展開(Adaptive Sparse Polynomial Chaos Expansion，ASPCE)代理模型技術(shù)，并基于Sobol'全局靈敏度分析方法，直接由ASPCE系數(shù)獲得Sobol'全局靈敏度因子。結(jié)合身管固有頻率模型，構(gòu)建相應(yīng)的ASPCE代理模型，計(jì)算獲得關(guān)鍵參數(shù)的全局靈敏度因子，確定關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明影響身管固有頻率

6、的身管關(guān)鍵參數(shù)共5個(gè):炮口制退器質(zhì)量Mk、身管尾端面外直徑D4、身管第一外直徑D3、身管第二外直徑D2、身管前端面直徑D1。
　　(6)采用極大極小距離準(zhǔn)則對(duì)基于基本效應(yīng)的準(zhǔn)優(yōu)化軌跡(Quasi-OptimizedTrajectory based Elementary Effects，Quasi-OTEE)方法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合彈炮耦合動(dòng)力學(xué)模型，考慮系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的不確定性，進(jìn)行全局靈敏度分析，選出關(guān)鍵參數(shù)。其中影響彈丸炮口狀態(tài)參數(shù)

7、的彈丸參數(shù)有8個(gè):彈丸質(zhì)心垂向位置、彈丸質(zhì)心橫向位置、前定心部中心縱向位置、彈丸質(zhì)量、彈丸赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy和Izz、前彈帶寬度、后彈帶寬度;炮身參數(shù)有8個(gè):炮口制退器質(zhì)量、身管第一外直徑、身管第二外直徑、身管前端面直徑、彈丸擠進(jìn)結(jié)束垂向速度、彈丸擠進(jìn)結(jié)束橫向速度、彈丸擠進(jìn)結(jié)束垂向擺角速度、彈丸擠進(jìn)結(jié)束橫向擺角速度;彈炮耦合參數(shù)有4個(gè):彈帶等效剛度、鋼-鋼接觸剛度、彈丸與身管間隙、身管與搖架襯瓦間隙。此外，關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別結(jié)果顯示影響彈丸炮