小口径火炮关键零件及自动机性能退化建模方法研究
发布时间：2020-08-11 18:00
【摘要】：一般来说,自动炮从列装到退役通常都要经历一系列不同的性能退化过程。如果能够在自动炮性能退化过程中监测到火炮性能退化的状态,那么就可以有针对性地制定合理的维护计划并组织维修工作,从而防止武器装备发生异常失效,实现装备的使用效益最大化。自动炮性能退化建模和评估正是基于这一设想而提出的一种主动维护技术,它侧重于装备全寿命周期中性能退化程度的度量,与现有故障诊断技术在理念上和方法上都有很大的不同。因此,研究和发展自动炮性能退化建模和评估技术,实现装备的主动维护模式,对于提高装备的利用率、避免因装备失效而引起的灾难性事故具有十分重要的意义。本文在综合分析国内外研究现状的基础上,以某小口径自动炮为研究对象,通过分析导致火炮自动机性能退化的多种因素,深入开展装备性能退化评估框架下的部件和火炮自动机性能退化建模方法研究,主要包括以下几个方面的内容:首先,针对当前身管有限元模型构造方法过于繁琐的问题,研究身管有限元模型、磨损身管有限元模型的参数化、高精度生成方法。基于参数化建模的思想,提出分片拼接法用于构造身管的几何模型及其有限元模型,并在此基础上提出一种更为快捷、通用的直接编写法用于生成身管的有限元模型;基于内膛尺寸的实测数据,提出节点偏移法用于生成任意磨损程度的内膛有限元模型,并建立多个磨损程度不同的身管有限元模型,为后续研究奠定基础。其次,针对当前弹丸与身管耦合过程分析假设过多、误差较大的问题,提出计及弹带挤进过程热生成和材料热物性的耦合计算方法并研究磨损身管的耦合过程。通过总结前人研究成果,分析弹带挤进过程及其膛内运动过程中的热力耦合效应,确定挤进过程中相关物理参数、材料参数与温度的关系,建立弹带挤进过程及其膛内运动过程的热力耦合有限元模型;针对经典内弹道模型中设置次要功系数为定值而导致弹丸与身管耦合过程计算不准确的问题,提出次要功系数的计算方法,并在此基础上考虑弹丸拔弹力对弹带挤进过程及弹丸膛内过程的影响;提出计算磨损内膛体积扩大量的方法,通过搭建磨损身管的弹丸与身管耦合仿真模型,进一步分析内膛磨损后弹丸运动特性和内弹道性能退化特性。然后,针对目前尚无精确多股簧损伤和退化模型的问题,构造多股簧损伤和退化的非线性模型,并研究模型参数的高效率、高精度辨识算法。基于多股簧的静态、动态实验结果,提出计及冲击端速度的广义修正归一化Bouc-Wen模型(广义BW模型);提出带噪声统计估计器的自适应无迹卡尔曼滤波算法(adaptive unscented Kalman filter algorithm,AUKF)用于辨识多股簧的响应模型参数,并分析量测噪声级别对AUKF稳定性的影响;对自动炮的两类(共计4根)多股簧进行了 6000次的冲击实验,分析多股簧性能退化后非线性响应模型参数的变化特性,提出多股簧性能退化的定义并建立拨弹板簧和复进簧的性能退化模型;针对AUKF在多股簧损伤模型参数辨识方面存在的不足,提出一种改进反向差分进化算法(weighted opposition-based learning differential evolution algorithm,WODE),并使用数值方法证明其有效性;分析多股簧性能退化后的非典型损伤特性,提出损伤量的分离办法;除了使用基于Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型的Slip-Lock损伤单元外,提出构造非典型迟滞模型的一般性办法,构造两个多股簧损伤单元模型并采用WODE对其进行参数识别。最后,建立导气式自动机性能退化模型,研究自动机性能退化过程。基于气体动力学理论和热力学理论,分析导气式自动机内弹道与导气装置的耦合过程,建立考虑身管和导气室热量散失的一维准定常气体运动模型和自动机多刚体模型,分析不同弹簧响应模型对自动机传动框速度、位移和理论射速的影响;基于多股簧性能退化模型,研究多股簧性能退化对自动机动力学特性的影响规律;阐述内弹道、导气装置和多股簧等子程序的组织方式,提出含弹丸与身管耦合过程的自动机刚柔耦合仿真模型;进行计算并验证其准确性后,分析内弹道性能退化对导气式自动机运动性能的影响;将多股簧性能退化模型和内弹道性能退化模型结合起来,研究多退化因素下火炮自动机的运动性能退化过程,获得自动机理论射速的退化规律。当前研究成果对弹丸与身管耦合计算、火炮自动机的设计分析和故障预测具有重要的理论价值和实用价值,其关键技术与研究思路也可以为其他装备的性能评估和寿命预测提供参考。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ303
【图文】：
小Ｕ径火炮关键零件及＿动机性能退化建模方法研究逡逑不具有某种功能。若将产品正常状态记为１，失效状态记为0，则产品功能随时间推逡逑移所产生的变化可用图２．１（ａ）来描述。在左图［０，７］区间内产品功能处于状态１，而：Ｔ逡逑时刻突发地转移到０，即产品在ｒ时刻突然失效。逡逑功能状态逦性能参数逡逑１逦ｉ逦Ａｆｌ逦？逡逑退化过程逡逑失效ＷｆｆｌＤ邋逦逡逑°邋Ｉ逦ｉ＿．逦°ｌ逦ｉ＿１逡逑Ｔ邋时间逦Ｔｉ）邋时间逡逑（ａ）突发型失效逦（ｂ）退化型失效逡逑图２．１两种失效类型的对比逡逑如果装备在工作或贮存过程之中，性能随着时间的推移而逐渐劣化，直到无法正逡逑常行使职能的状态，则此种失效被称为退化失效（或称为软故障）。性能退化是一种自逡逑然而又大量存在的现象，如火炮制退机密封圈老化、储能弹簧松弛等。和突发失效产逡逑品不同，退化失效产品的功能状态不能只用两种状态变量来描述，而是需要通过产品逡逑的某个性能参数来表示，性能参数的大小要能反映产品某项功能的优劣，并且该性能逡逑参数值随着产品工作或者贮存时间的延长而缓慢变化，如图２．１（ｂ）所示。例如，火炮逡逑制退复进机的液压性能参数（如制退机装液量、复进机气压、复进机装液量等参数）退逡逑化到一个不可接受的水平时
多退化系统具有多个退化进程，每个退化进程有其自身的性能参数。在退化过程逡逑中，不同的性能参数其退化初值、退化速率不同，因此一般不会同时达到各自的失效逡逑阈值，但当任意一个性能参数退化到失效阈值时，即可判定系统退化失效。图２．２中逡逑性能参数瓜１和p海卜直鹪冢罚猓楹停海裕洌彩笨檀锏搅耸с兄担纱丝梢耘卸ㄏ低车氖у义鲜奔湮裕猓病ｅ义先缤迹玻乘荆嗤嘶低车母鞲鐾嘶讨渫嬖谧拍持至怠１热绲计义鲜讲角股砉苣ニ鸷螅唤龅璧某鎏盘匦越岱⑸谋洌也角沟墓┦涞匦砸不徨义戏⑸谋洹Ｕ庵衷谕皇奔浞段冢捎诳占洹⒒肪场⑸杓埔约叭宋蛩氐榷喾矫嬖义弦蛞鸬牧礁龌蛘叨喔龅ピ笔У那榭鼋凶鍪喙兀纬墒喙氐母骼嘁蛩劐义辖凶鲴詈弦蛩亍Ｊ喙厥嵌嗤嘶低乘哂械囊桓銎毡橄窒螅Φ苯嗤嘶低秤脲义系ネ嘶低城鹂础⒎挚扑恪ｅ义嫌αω危椋欤旎碡苠澹徨澹椋突特苠义嫌αΓ插蝷}}櫺低常╁义嫌αΓ湾逡唬橥嘶恚五澹椋唬殄澹椋栈蹋隋澹掊义贤迹玻扯嗤嘶低车耐嘶体义希玻保惩嘶舾胁问难∪≡蝈义匣底氨富蛘叩缱由璞冈谑褂煤椭婀讨校湫阅懿问嶂鸾ハ陆抵敝廖薹ㄥ义下愎娑ǖ囊
本文编号：2789383
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ303
【图文】：
小Ｕ径火炮关键零件及＿动机性能退化建模方法研究逡逑不具有某种功能。若将产品正常状态记为１，失效状态记为0，则产品功能随时间推逡逑移所产生的变化可用图２．１（ａ）来描述。在左图［０，７］区间内产品功能处于状态１，而：Ｔ逡逑时刻突发地转移到０，即产品在ｒ时刻突然失效。逡逑功能状态逦性能参数逡逑１逦ｉ逦Ａｆｌ逦？逡逑退化过程逡逑失效ＷｆｆｌＤ邋逦逡逑°邋Ｉ逦ｉ＿．逦°ｌ逦ｉ＿１逡逑Ｔ邋时间逦Ｔｉ）邋时间逡逑（ａ）突发型失效逦（ｂ）退化型失效逡逑图２．１两种失效类型的对比逡逑如果装备在工作或贮存过程之中，性能随着时间的推移而逐渐劣化，直到无法正逡逑常行使职能的状态，则此种失效被称为退化失效（或称为软故障）。性能退化是一种自逡逑然而又大量存在的现象，如火炮制退机密封圈老化、储能弹簧松弛等。和突发失效产逡逑品不同，退化失效产品的功能状态不能只用两种状态变量来描述，而是需要通过产品逡逑的某个性能参数来表示，性能参数的大小要能反映产品某项功能的优劣，并且该性能逡逑参数值随着产品工作或者贮存时间的延长而缓慢变化，如图２．１（ｂ）所示。例如，火炮逡逑制退复进机的液压性能参数（如制退机装液量、复进机气压、复进机装液量等参数）退逡逑化到一个不可接受的水平时
多退化系统具有多个退化进程，每个退化进程有其自身的性能参数。在退化过程逡逑中，不同的性能参数其退化初值、退化速率不同，因此一般不会同时达到各自的失效逡逑阈值，但当任意一个性能参数退化到失效阈值时，即可判定系统退化失效。图２．２中逡逑性能参数瓜１和p海卜直鹪冢罚猓楹停海裕洌彩笨檀锏搅耸с兄担纱丝梢耘卸ㄏ低车氖у义鲜奔湮裕猓病ｅ义先缤迹玻乘荆嗤嘶低车母鞲鐾嘶讨渫嬖谧拍持至怠１热绲计义鲜讲角股砉苣ニ鸷螅唤龅璧某鎏盘匦越岱⑸谋洌也角沟墓┦涞匦砸不徨义戏⑸谋洹Ｕ庵衷谕皇奔浞段冢捎诳占洹⒒肪场⑸杓埔约叭宋蛩氐榷喾矫嬖义弦蛞鸬牧礁龌蛘叨喔龅ピ笔У那榭鼋凶鍪喙兀纬墒喙氐母骼嘁蛩劐义辖凶鲴詈弦蛩亍Ｊ喙厥嵌嗤嘶低乘哂械囊桓銎毡橄窒螅Φ苯嗤嘶低秤脲义系ネ嘶低城鹂础⒎挚扑恪ｅ义嫌αω危椋欤旎碡苠澹徨澹椋突特苠义嫌αΓ插蝷}}櫺低常╁义嫌αΓ湾逡唬橥嘶恚五澹椋唬殄澹椋栈蹋隋澹掊义贤迹玻扯嗤嘶低车耐嘶体义希玻保惩嘶舾胁问难∪≡蝈义匣底氨富蛘叩缱由璞冈谑褂煤椭婀讨校湫阅懿问嶂鸾ハ陆抵敝廖薹ㄥ义下愎娑ǖ囊
本文编号：2789383
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