影响弹丸起始扰动的某火炮结构参数分析与优化研究

发布时间：2020-10-31 22:52

　　 弹丸起始扰动是影响火炮射击精度的主要因素之一。本文以某大口径轻型牵引火炮为研究对象,建立弹炮耦合全炮动力学有限元模型来描述火炮的射击过程,重点研究相关参数对弹丸膛内运动和弹丸起始扰动的影响规律,进而研究减小弹丸起始扰动的火炮结构优化设计方法,为提高火炮射击精度的火炮结构优化设计提供参考依据和技术途径。本文的主要研究内容如下：(1)讨论了动力学分析中的非线性特性,阐述了非线性有限元动力学分析方法及其应用,为建立火炮发射动力学有限元模型奠定了理论基础。考虑弹丸与身管膛线的接触／碰撞作用,建立了弹丸与身管耦合的有限元模型,综合利用显式和隐式求解方法各自的优势建立了弹炮耦合全炮动力学有限元模型,并在此基础上实现了弹炮耦合全炮动力学有限元模型的参数化,为下文弹丸起始扰动的分析与优化提供了研究平台。(2)分析了影响火炮射击精度的误差源、弹丸起始扰动的形成过程、弹丸起始扰动对火炮射击密集度的影响情况以及影响弹丸起始扰动的具体因素。在某大口径轻型牵引火炮弹炮耦合全炮动力学有限元模型的基础上,以弹丸竖直和水平方向角位移、角速度、速度作为弹丸运动特征量,同时以弹丸出炮口时刻竖直和水平方向的角位移、角速度、速度表征弹丸起始扰动,从弹炮相互作用参数、火炮部分结构参数、不同土壤支撑等三个方面,计算并分析了部分因素对弹丸膛内运动和弹丸起始扰动的影响规律,为相关结构参数设计提供参考依据。(3)结合某大口径轻型牵引火炮结构减重的需要以及火炮射击试验中出现的一些情况,确定了相关火炮结构参数,并以此为变量建立弹炮耦合全炮动力学参数化有限元模型,以弹丸出炮口时刻竖直和水平方向的角位移、角速度、速度表征弹丸起始扰动,构建目标函数,采用最优拉丁超立方试验设计方法对火炮结构参数进行灵敏度分析,获得了各火炮结构参数对弹丸起始扰动的影响规律和影响程度,为下文减小弹丸起始扰动的火炮结构参数优化设计提供依据。(4)在对火炮结构参数进行灵敏度分析的基础上,考虑到采用弹炮耦合全炮动力学有限元模型进行优化的计算代价,引入近似模型结构优化技术,构建了代替弹炮耦合全炮动力学有限元模型的径向基函数神经网络近似模型,以弹丸起始扰动为目标,采用多岛遗传算法对火炮结构参数进行优化,达到了理想的优化效果。为提高火炮射击精度的火炮结构参数优化设计提供技术途径。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TJ301
【部分图文】：

图２．３．１１弹炮稱合全炮动力学有限元模型??显式求解过程中应有三个注意点：（１）对于各部件的单元类型，壳单用一阶四边??缩积分壳单元Ｓ４Ｒ，实体单元用一阶等参六面体减缩积分Ｃ３Ｄ８Ｒ，两种单元都采用??控制，实体单元同时采用单元失真控制。（２）对于显式求解器，影响显式求解效率??稳定极限值，显式的稳定极限值与最小单元尺寸成正比，即使模型中只有一个很小??者形状扭曲的单元存在，都会大大降低稳定极限值，增加计算时间。为了增加稳定??长，加快分析速度，不应划分过于细的网格，同时要保证网格质量应出现过度??的单元。（３）对于部件材料的阻尼，常用的材料阻尼是瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）阻尼，它??两个阻尼参数：质量比例阻尼Ａｌｐｈａ是关于质量矩阵的比例系数，主要用于消除低??荡；刚度比例阻尼Ｂｅｔａ是关于刚度矩阵的比例系数，主要用于消除高阶振荡。刚??阻尼Ｂｅｔａ对显式的计算效率影响很大，其值设置过小可能导致显式计算无法完??合理设置Ａｌｐｈａ和Ｂｅｔａ对显式的计算效率和计算精度至关重要。??弹炮稱合全炮参数化有限元模型??有限元参数化建模［５２］是指在输入某些参数值后，实现对有限元模型中设计变量的动??

时间／ｓ?时间／ｓ??图３．５．１８弹丸竖直方向角速度?图３．５．１９弹丸水平方向角速度??２－｜?１?５－］?１??——复进机在下制退机在上?‘?一复进机在下制退机在上??－－－－－复迸机在上制退机在下?Ｎ?４?复进机在上制退机在下??丨：：一八??？８?Ｈ?‘?１???１?‘?１?‘?１???１?－３?－Ｉ???Ｊ???１???１?１?１?????０．０００?０，００３?０．００６?０．００９?０．０１２?０．０１５?０．０００?０．００３?０．００６?０．００９?０．０１２?０．０１５??时间／Ｓ?时间／Ｓ??图３．５．２０弹丸竖直方向速度?图３．５．２１弹丸水平方向速度??根据上图两种布置形式下弹丸腫内的运动规律对比，可以看出制退机和复进机两种??布置形式下的弹丸竖直和水平方向角位移、角速度、速度几乎没有差别ｒ也就是说制退??机在上还是在下的布置对弹丸腔内的运动几乎没有影响。??同样

图２．３．１１弹炮稱合全炮动力学有限元模型??显式求解过程中应有三个注意点：（１）对于各部件的单元类型，壳单用一阶四边??缩积分壳单元Ｓ４Ｒ，实体单元用一阶等参六面体减缩积分Ｃ３Ｄ８Ｒ，两种单元都采用??控制，实体单元同时采用单元失真控制。（２）对于显式求解器，影响显式求解效率??稳定极限值，显式的稳定极限值与最小单元尺寸成正比，即使模型中只有一个很小??者形状扭曲的单元存在，都会大大降低稳定极限值，增加计算时间。为了增加稳定??长，加快分析速度，不应划分过于细的网格，同时要保证网格质量应出现过度??的单元。（３）对于部件材料的阻尼，常用的材料阻尼是瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）阻尼，它??两个阻尼参数：质量比例阻尼Ａｌｐｈａ是关于质量矩阵的比例系数，主要用于消除低??荡；刚度比例阻尼Ｂｅｔａ是关于刚度矩阵的比例系数，主要用于消除高阶振荡。刚??阻尼Ｂｅｔａ对显式的计算效率影响很大，其值设置过小可能导致显式计算无法完??合理设置Ａｌｐｈａ和Ｂｅｔａ对显式的计算效率和计算精度至关重要。??弹炮稱合全炮参数化有限元模型??有限元参数化建模［５２］是指在输入某些参数值后，实现对有限元模型中设计变量的动??
【参考文献】

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本文编号：2864620