彈炮耦合系統(tǒng)動力學及關鍵參數(shù)識別研究.pdf

1、火炮射擊過程是彈丸在高溫、高壓火藥燃氣推動下沿身管軸向高速運動的過程。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，使得彈丸運動具有不確定性，導致彈丸出炮口瞬間狀態(tài)參數(shù)的擾動，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。因此，建立火炮發(fā)射過程彈炮耦合動力學模型，得到彈丸膛內運動規(guī)律，揭示彈炮耦合機理，預測彈丸炮口擾動，提取彈炮耦合系統(tǒng)中的關鍵參數(shù)，對提高火炮射擊精度有重要意義。針

2、對上述問題，本文主要展開的研究內容如下:
　　(1)基于火炮發(fā)射原理和物理結構，建立相關坐標系統(tǒng)用于描述身管和彈丸的相對運動;根據(jù)彈炮耦合系統(tǒng)的坐標系拓撲結構，以相鄰剛體之間的相對運動為基礎，推導系統(tǒng)的運動學方程;基于系統(tǒng)的運動學方程，根據(jù)虛功率原理，推導系統(tǒng)動力學方程。
　　(2)考慮身管剛柔耦合效應，基于Timoshenko梁假設，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動的動力學方程;

3、基于浮動坐標系方法，建立了基于Timoshenko梁假設的身管剛柔耦合動力學模型。
　　(3)對彈炮耦合問題展開研究:包括身管膛線與彈帶的相互作用、身管運動對彈丸運動（平動和轉動）的影響、彈丸前后定心部與身管內壁的接觸碰撞、彈帶與身管內壁的相互作用（彈帶變形和高速摩擦），建立相應的約束方程，并整合到系統(tǒng)動力學方程中。
　　(4)考慮剛柔耦合和彈炮耦合約束方程建立彈炮耦合系統(tǒng)動力學模型，并給出相應的動力學方程計算算法;對火炮發(fā)

4、射過程中各種載荷進行分析，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)進行模型驗證和仿真分析:包括:1）通過將計算得到的身管炮口擾動結果和試驗結果進行對比分析，輔助驗證模型的有效性;2）身管的靜態(tài)分析結果作為彈丸膛內運動過程計算的初始條件;3）以上所有初始條件代入動態(tài)計算模型進行動態(tài)計算。計算結果表明，彈丸在膛內的運動呈現(xiàn)明顯的周期性，且隨著彈丸的運動，橫向運動的幅值逐漸增大，在炮口附近達到極大值。
　　(5)基于

5、混沌多項式展開(Polynomial Chaos Expansion，PCE)原理，提出自適應稀疏混沌多項式展開(Adaptive Sparse Polynomial Chaos Expansion，ASPCE)代理模型技術，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。結合身管固有頻率模型，構建相應的ASPCE代理模型，計算獲得關鍵參數(shù)的全局靈敏度因子，確定關鍵參數(shù)。結果表明影響身管固有頻率

6、的身管關鍵參數(shù)共5個:炮口制退器質量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則對基于基本效應的準優(yōu)化軌跡(Quasi-OptimizedTrajectory based Elementary Effects，Quasi-OTEE)方法進行了改進，結合彈炮耦合動力學模型，考慮系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的不確定性，進行全局靈敏度分析，選出關鍵參數(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:彈丸質心垂向位置、彈丸質心橫向位置、前定心部中心縱向位置、彈丸質量、彈丸赤道轉動慣量Iyy和Izz、前彈帶寬度、后彈帶寬度;炮身參數(shù)有8個:炮口制退器質量、身管第一外直徑、身管第二外直徑、身管前端面直徑、彈丸擠進結束垂向速度、彈丸擠進結束橫向速度、彈丸擠進結束垂向擺角速度、彈丸擠進結束橫向擺角速度;彈炮耦合參數(shù)有4個: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，關鍵參數(shù)識別結果顯示影響彈丸炮