弹炮耦合系统动力学及关键参数识别研究

发布时间：2022-12-22 20:45

　　火炮射击过程是弹丸在高温、高压火药燃气推动下沿身管轴向高速运动的过程。由于身管弯曲、弹丸与身管的接触碰撞、弹带的变形、弹带与身管的高速度摩擦等因素的存在,使得弹丸运动具有不确定性,导致弹丸出炮口瞬间状态参数的扰动,而弹丸炮口状态参数是外弹道的初始条件,直接与火炮的射击精度相关。因此,建立火炮发射过程弹炮耦合动力学模型,得到弹丸膛内运动规律,揭示弹炮耦合机理,预测弹丸炮口扰动,提取弹炮耦合系统中的关键参数,对提高火炮射击精度有重要意义。针对上述问题,本文主要展开的研究内容如下:（1）基于火炮发射原理和物理结构,建立相关坐标系统用于描述身管和弹丸的相对运动;根据弹炮耦合系统的坐标系拓扑结构,以相邻刚体之间的相对运动为基础,推导系统的运动学方程;基于系统的运动学方程,根据虚功率原理,推导系统动力学方程。（2）考虑身管刚柔耦合效应,基于Timoshenko梁假设,建立多段变截面梁表示的身管模型,采用谱元法离散身管模型,得到描述身管柔性运动的动力学方程;基于浮动坐标系方法,建立了基于Timoshenko梁假设的身管刚柔耦合动力学模型。（3）对弹炮耦合问题展开研究:包括身管膛线与弹带的相互作用、身... 

【文章页数】：153 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 火炮发射动力学研究概况
        1.2.1 柔性身管建模研究现状
        1.2.2 弹炮耦合模型的研究现状
        1.2.3 火炮发射过程关键参数的研究现状
    1.3 代理模型的研究概况
        1.3.1 试验设计方法
        1.3.2 代理模型构造方法
    1.4 灵敏度分析研究概况
        1.4.1 局部灵敏度分析方法
        1.4.2 全局灵敏度分析方法
    1.5 本文的研究目标和主要研究内容
2 火炮发射过程动力学建模
    2.1 火炮发射过程运动分析
        2.1.1 基本假设
        2.1.2 坐标系的建立及坐标转换
        2.1.3 火炮发射过程运动学方程
    2.2 火炮发射过程动力学分析
        2.2.1 动力学方程的建立
        2.2.2 火炮发射过程动力学方程
    2.3 本章小结
3 身管刚柔耦合动力学建模
    3.1 身管柔性运动建模
    3.2 身管刚柔耦合动力学模型
    3.3 算例
        3.3.1 等截面Timoshenko梁的固有频率
        3.3.2 加速移动质量作用下Timoshenko梁的动力响应
    3.4 本章小结
4 火炮发射过程弹炮耦合分析
    4.1 身管膛线与弹带的相互作用
    4.2 身管运动对弹丸运动的影响
        4.2.1 身管运动对于弹丸平动运动的影响
        4.2.2 身管运动对弹丸转动运动的影响
    4.3 弹丸前后定心部和身管内壁的接触碰撞
        4.3.1 接触碰撞的判断
        4.3.2 接触碰撞模型
        4.3.3 接触摩擦模型
    4.4 弹带与身管内壁的相互作用
        4.4.1 弹丸运动对弹带变形的影响
        4.4.2 弹带高速摩擦模型
    4.5 本章小结
5 弹炮耦合系统动力学模型及仿真分析
    5.1 弹炮耦合系统动力学方程
    5.2 动力学方程的解算
    5.3 弹丸受力分析
        5.3.1 弹丸重力
        5.3.2 火药气体作用力
        5.3.3 弹带接触力
        5.3.4 定心部的接触碰撞力
        5.3.5 合力和合力矩
    5.4 炮身受力分析
        5.4.1 重力
        5.4.2 火药气体作用力
        5.4.3 炮膛合力
        5.4.4 制退机力和复进机力
        5.4.5 接触碰撞力
        5.4.6 合力F_h和合力矩M_h
    5.5 算例分析
        5.5.1 身管炮口扰动及试验对比
        5.5.2 火炮发射过程仿真分析
    5.6 本章小结
6 影响身管固有频率的身管关键参数识别
    6.1 ASPCE代理模型
        6.1.1 训练样本的构造
        6.1.2 代理模型评价
        6.1.3 ASPCE代理模型的构造
    6.2 基于ASPCE的全局灵敏度分析
    6.3 算例
        6.3.1 不同PCE比较
        6.3.2 解析测试函数
    6.4 影响身管固有频率的关键参数识别
    6.5 本章小结
7 影响弹丸炮口状态参数的关键参数识别
    7.1 改进QUASI-OTEE全局灵敏度分析
        7.1.1 基本效应法
        7.1.2 改进Quasi-OTEE全局灵敏度分析方法
    7.2 算例
        7.2.1 测试函数
    7.3 影响弹丸炮口状态参数的关键参数分析
    7.4 本章小节
8 总结及展望
    8.1 全文的工作总结
    8.2 本文的创新点
    8.3 后续工作展望
致谢
参考文献
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]身管固有频率高效全局灵敏度分析[J]. 陈光宋,钱林方,吉磊.  振动与冲击. 2015(21)
[2]影响弹丸起始扰动的火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[J]. 李强,顾克秋,王力.  火炮发射与控制学报. 2014(04)
[3]基于有限元弹炮耦合的某牵引火炮炮口扰动灵敏度分析[J]. 张俊飞,顾克秋,付帅.  火炮发射与控制学报. 2014(01)
[4]考虑弹丸与身管轴向运动耦合的火炮系统时变动力学分析[J]. 张志新,胡振东.  振动与冲击. 2013(20)
[5]弹炮刚柔耦合模型中的接触碰撞动力学[J]. 陈世业,王良明,史伟.  海军工程大学学报. 2013(04)
[6]弹性身管的弹炮耦合问题研究[J]. 郭保全,刘佳.  机械强度. 2013(03)
[7]基于弹炮刚柔耦合接触/碰撞的炮口振动研究[J]. 张春梅,刘树华,曹广群,高杰,田中梁.  机械工程与自动化. 2013(03)
[8]Kriging响应面代理模型在有限元模型确认中的应用[J]. 张冬冬,郭勤涛.  振动与冲击. 2013(09)
[9]运动激励下身管动力学特性研究[J]. 史跃东,罗忠,钱超.  四川兵工学报. 2013(04)
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博士论文
[1]近似模型优化体系关键技术研究及应用[D]. 李恩颖.湖南大学 2009
[2]基于区间的不确定性优化理论与算法[D]. 姜潮.湖南大学 2008
[3]多柔体系统参数化模型及其在火炮中的应用研究[D]. 杨国来.南京理工大学 1999

硕士论文
[1]某舰炮发射动力学仿真分析[D]. 申亮.南京理工大学 2008
[2]基于代理模型的汽车碰撞安全性仿真优化研究[D]. 廖兴涛.湖南大学 2006



本文编号：3724011